Per als astrònoms, astrofísics i cosmòlegs, la capacitat d’observar les primeres estrelles que es van formar al nostre Univers sempre ha estat fora del nostre abast. Per una banda, hi ha els límits dels nostres telescopis i observatoris actuals, que només poden veure la llum que arriba en el moment. L’objecte més llunyà mai observat va ser el MACS 1149-JD, una galàxia situada a 13.2 mil milions d’anys llum de la Terra i que es va veure a la imatge del Hub Deep eXtreme Deep Field (XDF).
De l’altra, fins a aproximadament 1.000 milions d’anys després del Big Bang, l’Univers experimentava el que els cosmòlegs anomenen com “Edats Fosques” quan l’Univers es va omplir de núvols de gas que enfosquien la llum visible i l’infraroig. Per sort, un equip d’investigadors del Georgia Tech Center for Relativistic Astrophysics van realitzar recentment simulacions que mostren com era la formació de les primeres estrelles.
L’estudi que descriu les seves troballes, publicat al Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, va ser dirigit per Gen Chiaki i John Wise, un investigador postdoctoral i professor associat de la CfRA (respectivament). Els van acompanyar investigadors de la Sapienza Università di Roma, l’Observatori Astronòmic de Roma, l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) i l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).
Basant-se en els cicles de vida i mort de les estrelles, els astrofísics teoritzen que les primeres estrelles de l’Univers eren molt pobres en metalls. Després d’haver-se format uns 100 milions d’anys després del Big Bang, aquestes estrelles es van formar a partir d’una sopa primordial d’hidrogen gasós, heli i traces de metalls lleugers. Aquests gasos col·lapsarien formant estrelles fins a 1.000 vegades més massives que el nostre Sol.
A causa de la seva mida, aquestes estrelles van tenir una vida curta i probablement només van existir durant uns quants milions d’anys. En aquell temps, van formar nous elements més pesats als seus forns nuclears, que després es van dispersar un cop les estrelles van col·lapsar i explotar en supernoves. Com a resultat, la pròxima generació d’estrelles tindria elements més pesats en carboni, cosa que conduiria a la designació d’estrelles pobres amb metall millorat per carboni (CEMP).
La composició d’aquestes estrelles, que pot ser visible avui pels astrònoms, és el resultat de la nucleosíntesi (fusió) d’elements més pesats de la primera generació d’estrelles. En estudiar el mecanisme que hi ha darrere de la formació d’aquestes estrelles pobres en metall, els científics poden inferir el que estava passant durant les “edats fosques” còsmiques quan es van formar les primeres estrelles.
Pel bé de les seves simulacions, l’equip es va basar principalment en el clúster Georgia Tech PACE. El temps addicional va ser assignat per l’Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) de la National Science Foundation (NSF), el superordinador Stampede2 del TACC i el sistema Frontera finançat per NSF (el superordinador acadèmic més ràpid del món) i el clúster Comet de Diego Supercomputer Center (SDSC).
Amb la gran quantitat de potència de processament i emmagatzematge de dades proporcionats per aquests clústers, l’equip va ser capaç de modelar la feble supernova de les primeres estrelles de l’Univers. El que això va revelar va ser que les estrelles pobres en metall que es van formar després de les primeres estrelles de l’Univers van augmentar el carboni gràcies a la barreja i la reserva de bits expulsats de les primeres supernoves.
Les seves simulacions també van mostrar que els núvols de gas produïts per les primeres supernoves estaven sembrant grans de carboni, cosa que va conduir a la formació d’estrelles ‘giga-pobres en metalls’ de massa baixa que probablement encara existeixen avui dia (i que podrien ser estudiades en futures investigacions).
Aquestes investigacions formen part d’un camp en creixement conegut com a “arqueologia galàctica”. Igual que la manera com els arqueòlegs confien en restes i artefactes fossilitzats per aprendre més sobre les societats que van desaparèixer fa segles o mil·lennis, els astrònoms busquen estrelles antigues per estudiar per aprendre més sobre les que han mort durant molt de temps…