Qué son las estrellas monstruosas, los gigantes extinguidos que explican los agujeros negros más antiguos

Durante más de 20 años, los astrónomos se enfrentaron a una pregunta incómoda sobre el origen del cosmos temprano. ¿Cómo lograron formarse agujeros negros supermasivos cuando el universo apenas superaba los primeros cientos de millones de años de vida?

Los modelos clásicos de evolución estelar no alcanzaron para explicarlo. Las estrellas conocidas no crecieron ni colapsaron con la velocidad suficiente como para generar objetos con millones de veces la masa del Sol en un lapso tan breve.

Esa incógnita acaba de recibir una respuesta inesperada gracias al telescopio espacial James Webb.

Observaciones realizadas con este instrumento permitieron identificar la primera evidencia directa de un tipo de estrella que hasta ahora solo existía en modelos teóricos: estrellas primordiales ultramasivas, tan grandes y efímeras que los investigadores las comparan con dinosaurios cósmicos.

Gigantes que dominaron el universo temprano, brillaron de manera intensa durante un período corto y luego desaparecieron, dejando huellas químicas que aún hoy se pueden detectar.

El hallazgo surgió del análisis de una galaxia lejana llamada GS 3073, observada tal como era apenas 1.100 millones de años después del Big Bang. En ese sistema, los astrónomos detectaron una proporción anómala entre nitrógeno y oxígeno que no encaja con ningún tipo de estrella conocido. Esa firma química apunta a la existencia de objetos estelares con masas entre 1.000 y 10.000 veces la del Sol, una categoría completamente distinta a todo lo observado hasta ahora.

El descubrimiento no solo aporta una pieza clave para entender cómo evolucionaron las primeras galaxias, sino que también ofrece una explicación plausible para el origen de los agujeros negros supermasivos más antiguos del universo. En lugar de crecer lentamente a partir de restos estelares comunes, esos colosos habrían nacido ya con una ventaja decisiva, como herencia directa del colapso de estas estrellas monstruosas.

Una huella química que delata a los gigantes del pasado

La clave del hallazgo se encuentra en la química. En astronomía, la composición de una galaxia funciona como un archivo histórico. Cada estrella deja rastros de los elementos que produce y dispersa al morir, y esos elementos permanecen como testigos del pasado.

En el caso de GS 3073, el telescopio James Webb reveló una relación entre nitrógeno y oxígeno de 0,46, un valor extraordinariamente alto que no puede explicarse mediante procesos estelares convencionales.

Las estrellas de masa moderada, así como las supernovas conocidas, generan proporciones muy distintas de estos elementos. El patrón observado en GS 3073 obligó a los investigadores a buscar una fuente alternativa. Los modelos apuntaron entonces a estrellas primordiales ultramasivas, capaces de producir grandes cantidades de nitrógeno a través de un mecanismo específico que solo se activa en un rango de masas muy preciso.

Estas estrellas colosales quemaron helio en sus núcleos, produciendo carbono. Ese carbono migró hacia capas externas, donde reaccionó con hidrógeno y dio origen al nitrógeno mediante el ciclo carbono nitrógeno oxígeno. A diferencia de estrellas más pequeñas, las intensas corrientes de convección distribuyeron ese nitrógeno por toda la estructura estelar. Con el tiempo, el material enriquecido escapó al espacio y contaminó el gas circundante durante millones de años.

Ese proceso explicó el exceso químico detectado por el James Webb. Las simulaciones mostraron además que estrellas con masas inferiores a 1.000 veces la del Sol, o superiores a 10.000, no generan la misma firma. El fenómeno solo aparece en un intervalo estrecho, lo que refuerza la idea de una población específica de estrellas gigantes que existió durante el amanecer cósmico.

En 2022, los investigadores publicaron un trabajo en Nature que predecía que las estrellas supermasivas se formaron naturalmente en corrientes raras y turbulentas de gas frío en el universo temprano, lo que explica cómo los cuásares (agujeros negros extraordinariamente brillantes) podrían existir menos de mil millones de años después del Big Bang.

“Nuestro último descubrimiento ayuda a resolver un misterio cósmico de 20 años. Con GS 3073, tenemos la primera evidencia observacional de la existencia de estas estrellas gigantescas”, declaró el doctor en Biología Daniel Whalen, del Instituto de Cosmología y Gravitación de la Universidad de Portsmouth.

Según Whalen, estos gigantes cósmicos habrían brillado intensamente durante un breve periodo antes de colapsar en enormes agujeros negros, dejando tras de sí las huellas químicas que podemos detectar miles de millones de años después. Algo así como los dinosaurios en la Tierra: eran enormes y primitivos. Y tuvieron vidas cortas, viviendo tan solo un cuarto de millón de años, un abrir y cerrar de ojos cósmico.

La comparación con los dinosaurios no es solo una metáfora visual. Al igual que esos reptiles prehistóricos, estas estrellas dominaron su entorno durante un tiempo breve y luego desaparecieron sin dejar descendencia directa. Su legado quedó atrapado en fósiles, aunque en este caso no se trata de huesos, sino de proporciones químicas y agujeros negros.

Estrellas monstruosas: del colapso estelar al nacimiento de agujeros negros gigantes

Uno de los aspectos más relevantes del descubrimiento es lo que ocurre al final de la vida de estas estrellas monstruosas. A diferencia de muchas estrellas masivas actuales, que explotan como supernovas, los modelos indican que estos objetos colapsaron de manera directa. Ese colapso dio origen a agujeros negros con miles de veces la masa del Sol desde el primer momento.

Esa característica resolvió una de las grandes paradojas del universo temprano. Si los primeros agujeros negros ya nacieron con masas tan grandes, el crecimiento posterior mediante acreción de gas y fusiones resultó mucho más sencillo. Así, pudieron transformarse en los agujeros negros supermasivos que hoy se observan en el centro de galaxias jóvenes, incluso cuando el cosmos aún era muy joven.

GS 3073 ofrece un ejemplo especialmente sugerente. En su núcleo se detectó un agujero negro activo que podría ser el descendiente directo de una de estas estrellas primordiales. Si futuras observaciones confirman esa conexión, el hallazgo permitiría resolver dos enigmas simultáneos: el origen del nitrógeno extremo y la formación temprana del agujero negro central.

El astrofísico Devesh Nandal, del Instituto de Teoría y Computación del Centro de Astrofísica Harvard Smithsonian, explicó: “Las abundancias químicas actúan como una huella cósmica, y el patrón en GS3073 es diferente a todo lo que las estrellas comunes pueden producir. Su nitrógeno extremo solo coincide con un tipo de fuente que conocemos: estrellas primordiales miles de veces más masivas que nuestro Sol”.

“Esto nos indica que la primera generación de estrellas incluyó objetos verdaderamente supermasivos que contribuyeron a la formación de las galaxias primigenias y podrían haber dado origen a los agujeros negros supermasivos actuales”, agregó Nandal.

El descubrimiento también encaja con predicciones teóricas publicadas años atrás, que sugerían la formación natural de estrellas ultramasivas en regiones del universo temprano dominadas por flujos turbulentos de gas frío. Esas condiciones extremas no existen en el universo actual, lo que explica por qué estas estrellas ya no se forman.

Más allá de GS 3073, el equipo espera encontrar otras galaxias con firmas químicas similares a medida que el James Webb continúe explorando el cosmos profundo. Cada nuevo caso reforzará la hipótesis de que las estrellas monstruosas no fueron una rareza aislada, sino una fase clave en la evolución temprana del universo.

El hallazgo abre una ventana inédita a la llamada Edad Oscura cósmica, cuando las primeras estrellas comenzaron a encenderse y transformaron un universo simple, dominado por hidrógeno y helio, en un escenario químicamente complejo. En ese proceso, estos gigantes extinguidos jugaron un papel decisivo, aunque su existencia solo pueda reconstruirse hoy a partir de las huellas que dejaron atrás.

Como ocurre con los dinosaurios, su ausencia actual no disminuye su importancia histórica. Por el contrario, comprender cómo vivieron y murieron estas estrellas monstruosas permite entender por qué el universo luce como lo hace hoy, poblado por galaxias brillantes y agujeros negros que nacieron mucho antes de lo que la ciencia imaginó durante décadas.