de 380 mil a unos 200 millones de años desde el inicio

(Revisión 2025)

En la entrada anterior de esta serie sobre la Biografía del Universo habíamos dejado a la materia oscura haciendo su trabajo de panadero amasador de la materia. Se estaba iniciando el nacimiento de las primeras estructuras cósmicas. Habíamos asegurado que la realidad fue bastante diferente a un proceso sencillo de ir agrupando progresivamente materia, lo mismo que el polvo se apelmaza dentro de la bolsa del aspirador casero gracias al potencial de succión generado por su motor/ventilador. En esta larga entrada entramos a desentrañar alguna de las particularidades de este proceso. Y para no descentrarnos, ahí va el mapa de posicionamiento temporal.

En los albores de la compactación las partículas bariónicas -básicamente átomos de hidrógeno y helio-, al ser poco masivas, se moverían comparativamente a altas velocidades. El Cosmos en aquellos momentos se encontraba bastante frío con relación a lo que había sido, unos cientos de grados Kelvin como correspondía a la energía promedio de la radiación del orden de las décimas del electronvoltio. Con la expansión, poco a poco, la velocidad con la que se movían los átomos de hidrógeno se iría ralentizando hasta llegar a un nivel, a una temperatura, tal que hacía posible el que apareciesen rápidamente, con la ayuda catalizadora de los electrones libres, moléculas del mismo elemento por unión covalente de dos átomos.^[1] Estos átomos y moléculas se fueron progresivamente enfriando y ralentizando aún más. Entonces la atracción gravitatoria de la materia oscura conjuntamente con otro tipo de interacciones como pudiera ser el empuje que se produciría en los choques entre partículas, iones, átomos o moléculas, e incluso modulados por sus momentos angulares, haría que los bariones de la materia luminosa poco a poco fueran “cayendo” hacia los centros supermasivos de los cúmulos de materia oscura, iniciando los primeros esbozos de la estructura del Universo que vemos.

El proceso que hemos explicado a grandes rasgos no debió ser tan elemental. No todo fue frenarse y caer en el pozo gravitatorio, porque todo tiene un límite. Al irse comprimiendo los grandes volúmenes de gases, los átomos y moléculas de la materia bariónica se iban acelerando al encontrase en un espacio cada vez más pequeño. El mayor número de colisiones consiguientes, y con una mayor energía en el choque, traía como consecuencia el que en estas zonas la temperatura aumentase. Y ya sabemos que a mayor temperatura de la radiación mayor presión de tendencia expansiva dentro del gas: la concentración gravitatoria genera una onda de presión que, partiendo desde el centro, se transmite centrífugamente por toda la nube que se compacta. Esa onda se mueve a la velocidad del sonido en el medio. Si esa velocidad es mayor que la de la caída de bariones al pozo gravitatorio, la presión contendrá el colapso al alcanzarse un equilibrio entre ambas fuerzas: gravedad vs. presión.

La llegada a este equilibrio se iba realizando poco a poco. Durante un tiempo y a medida que se iba acarreando cada vez una mayor masa desde los alrededores, el halo se iría manteniendo en un estado transitorio dinámicamente semejante al inicial sin cambios fundamentales. Hasta que se llega a acumular una determinada cantidad crítica, momento tras el que el halo cada vez más denso se inestabiliza, de forma que la gravedad llegará a vencer a las fuerzas de presión de la nube de gases que por fin colapsarán en todo su volumen. Momento de rotura de la virialidad. Ello será así cuando la energía gravitatoria de la nube de gases supere el doble de su energía térmica.^[2]

En aquel amasijo de materia y radiación se daban unas circunstancias que retardaban y otras que aceleraban la compactación de la materia. Eso fue realmente importante, ya que todo ese juego de pros y contras configuraron un determinado y concreto patrón de densidades que, de no haberse alcanzado, no se hubiera generado este Universo tan espléndido como lo vemos ahora, con sus estructuras filamentosas y radiantes, llenas de galaxias y estrellas, cuásares y agujeros negros.

En todas las edades astronómicas existieron “fuerzas del mal” que se oponían a la densificación, en unos momentos unas eran más poderosas que otras, pero ahí estaban. Entre ellas se encontraban los campos magnéticos cósmicos. Este gran imán del Universo no sabemos muy bien por qué está ahí. Quizás apareció en los inicios del Big Bang como uno más de sus campos. En principio sería un magnetismo débil presente en todas partes que luego sembró los campos más intensos en galaxias y cúmulos a lo largo y ancho del Cosmos.^[3] Siempre ha estado actuando, aunque… ¿cómo? Forzando las trayectorias del movimiento de las partículas ionizadas que estaban intentando congregarse formando un cuerpo masivo. Y esas trayectorias, que se ajustaban a las líneas de dichos campos magnéticos, no tenían por qué coincidir con las de la “caída” gravitacional, directamente hacia el centro de masas. Debido tan sólo a eso la compactación podía ralentizarse. Pero es que además, al ser aceleradas por los campos magnéticos de fondo, las partículas cargadas en su movimiento chocaban con las partículas no cargadas dificultando en una segunda derivada la compactación.

Otro “opositor” a la compactación era la radiación Lyman-α de la que hablaremos con extensión en el capítulo 26. Se trata simplemente de los fotones emitidos al decaer un electrón excitado en el átomo de hidrógeno desde el nivel dos al fundamental. Esos fotones suministran una presión centrífuga muy importante, porque normalmente quedan atrapados dentro de la nube del gas chocando con sus bariones. Los choques se traducen en un incremento de la energía de los fotones por lo que la presión que generan se ve magnificada y, por consiguiente, generan una ralentización de la velocidad de caída del gas. En halos pequeños su influencia puede ser tan grande que incluso pueden parar del todo la compactación.

Y seguimos con las fuerzas del mal. Dado que dentro de las masas del gas que se iba conglomerando la presión era cada vez mayor, la energía de los fotones que se oponían al derrumbe iba cada vez incrementándose. Incluso en algún momento, cuando se iniciaban los primeros balbuceos de las estrellas, estarían presentes los rayos ultravioleta con energías de decenas de electronvoltios. Esos fotones, como el resto de los de su especie, no sólo hacían valer la “presión” en su cruzada anti-compactación, sino que también aprovechaban su energía para otros menesteres. Algunos de ellos sobrepasarían la fuerza de enlace del átomo de hidrógeno, con energía de 13,6 eV, por lo que tendrían la suficiente como para ionizar a esos átomos en la zona central del halo que en el proceso emitirían fotones. Por consiguiente, en esas zonas de hidrógeno ionizado la temperatura tendría que ser mucho mayor que la de las zonas del entorno. Al calentarse debían incrementar el volumen que crecería hacia el exterior con una gran aceleración, provocando un frente de gas ionizado hacia afuera y que dificultaba la compactación hacia el núcleo. Este frente inicialmente era supersónico, aunque se iría frenando a medida que se fuera expandiendo e interaccionara con lo que iba encontrando en su camino, llegando a alcanzar velocidades próximas a la del sonido. En ese momento el frente de onda sónico quedaba atrapado ya que al chocar con el gas neutro exterior podía ya acoplarse con él.

En la zona de acople podemos imaginar que se inducía en el gas neutro y molecular exterior como una especie de concha, dentro de la cual queda el frente de gas ionizado, mientras el conjunto sigue avanzando a la velocidad del sonido. Mientras la presión en el borde de la concha fuera mayor que el potencial gravitatorio el frenado de la compactación del halo seguiría siendo efectivo. A medida que la onda se propagaba hacia el exterior la densidad del hidrógeno neutro con el que se encontraba iría lógicamente disminuyendo, por lo que en algún momento el frente de material ionizado se volvió a desacoplar recuperando velocidad y perdiéndose en el infinito. Es lo que se conoce como la evaporación del halo.

PERO… otros fenómenos físicos trabajaban en sentido contrario. Básicamente, lo que hacían era relajar la creciente temperatura que se producía al incrementarse la compactación. Si la masa comprimida por la atracción gravitatoria no se calentara tan rápido, podría alcanzar densidades mayores antes de que la presión generada por la radiación comenzara a oponerse al colapso.

Ciertamente había, y aún está operativo, un “ventilador cósmico fotónico” que trabajaba en este sentido. Básicamente lo que hacía en las zonas de progresiva acumulación era “ventilar” energía en forma de fotones que podían abandonar el grumo de materia, con lo que así ésta seguía un camino de calentamiento más suave. ¿De dónde provenían estos fotones? En toda esta sopa, a pesar de que eran tremendos espacios vacíos, los átomos chocarían unos con otros o con la radiación, con el resultado de que alguno de sus electrones orbitales ascendía a una capa de mayor energía. Casi inmediatamente volvían a su querencia de menor energía: saltaban a su órbita inferior emitiendo fotones portadores de energía, de nuevo los Lyman-α, alguno de los cuales lograban escapar refrigerando la zona al perderse en el espacio lejos de la conglomeración de materia. Este ventilador fue altamente eficiente a partir de que el halo alcanzara una temperatura virial mayor a 10⁴ K como vemos en la figura siguiente.

Además, se daba otro proceso aún más eficiente al que teóricamente en física se le conoce como excitación de un gas perturbado. Tenía relación con las moléculas de la sopa gravitatoria bariónica, que en aquel momento en su mayoría era de hidrógeno. ¿Cómo aparecen moléculas de H₂ en un mundo de átomos e iones? Sabemos ya del capítulo 17 que tras el momento de la recombinación la aparición de átomos de hidrógeno (H) no se hizo de forma inmediata, sino que se tomó su tiempo. Los electrones libres fueron abundantes al principio decayendo poco a poco hasta ser una fracción 10^-4 de la población total inicial cuando el inicio de la recombinación. Los electrones libres catalizan a la molécula de H₂ en un proceso que pasa por la formación del ión hidruro H^-, un protón con dos electrones, a través de las reacciones siguientes

H + e^-    →    H^- + energía        H^- + H  →  H₂ + e^-

Las moléculas de hidrógeno estaban sometidas a estrés de movimiento en un medio compacto en donde se estaba incrementando la temperatura y en donde chocaban unas con otras transmitiéndose energía y alterando continuamente sus estados.

Algunas de esas moléculas se salían de la disciplina que Boltzman definió para un cuerpo negro, que es lo que era el cúmulo de gas. Pero obligatoriamente tenían que volver a ella, y lo hacían emitiendo fotones que aliviaban la tensión cinética de sus estados vibratorio y de rotación molecular, y que a la larga salían del halo arrastrando consigo parte de su energía. Eso era precisamente lo que pasaba con nuestras moléculas de hidrógeno, que así se travistieron como potentes refrigeradores de los proto cúmulos con la eficacia que dibuja la línea a trazos de la curva anterior.

Además, en los halos donde coexistían moléculas e iones de hidrógeno, se daban las circunstancias precisas como para que apareciera otro tipo de moléculas ventilador: la HD formada por un hidrógeno y un deuterio. Su acción se hizo importante en el nacimiento de las últimas estrellas de la primera generación.

H₂ + D⁺ → HD + H⁺

Mucho más tarde aparecieron otros actores que reforzaron las refrigeraciones de las masas de gases colapsantes. Me refiero a los “metales” estelares (elementos más allá del hidrógeno o el helio) que se crearon gracias a los hornos de las primeras estrellas de Población III y que se podían encontrar en forma de granos de polvo o diluidos en el gas interestelar. Los granos de polvo absorben de forma muy eficiente a los fotones ultravioleta para después refrigerarse gracias a la emisión en infrarrojo, que fácilmente puede abandonar la nube de gas gracias a su amplia longitud de onda. Añadieron una segunda derivada de enfriamiento, no solamente porque podían irradiar su calor, sino también porque sobre su superficie se catalizaba con gran facilidad el “refrigerador” H₂.

Ese proceso es muy importante para las estrellas de segunda generación, con concentraciones metálicas inferiores a la del Sol, la principal causa de refrigeración, muy por encima de la que producían los ventiladores moleculares de hidrógeno o de helio, es la debida a esas pequeñas fracciones de iones pesados que se encuentran en los núcleos de gas. Se trata principalmente del carbono y del oxígeno que a través de sus átomos y moléculas refrigeran de forma eficiente el gas bariónico madre de las segundas y terceras generaciones de estrellas.^[5] Este extra de refrigeración fue fundamental para la formación de galaxias ya que permitió y facilitó una mayor fragmentación del disco central de acreción.

El que actúe un modelo de enfriamiento u otro dependen de las circunstancias locales y temporales. Normalmente, y a excepción de la dispersión Compton inversa de la que hablaremos luego, todos los mecanismos de enfriamiento que hemos comentado involucran al menos dos partículas. Lo que significa que el enfriamiento es generalmente más efectivo en las regiones de mayor densidad. En halos masivos, donde la temperatura virial es muy alta, T_vir>10⁷ K, el gas se ioniza completamente por colisión y se enfría principalmente a través de la radiación de frenado Bremsstrahlung que se produce cuando los electrones libres “tuercen” su trayectoria por la atracción electromagnética de los núcleos próximos y ya sabemos que una carga eléctrica puntual acelerada emite energía e impulso en forma de radiación.^[6]

En el rango de temperaturas 10⁴ K<T_vir<10⁶ K, son varios los mecanismos de excitación y desexcitación que pueden desempeñar un papel. Los electrones pueden recombinarse con iones emitiendo un fotón; o los átomos neutros o parcialmente ionizados pueden ser excitados por una colisión con otra partícula, para decaer radiactivamente de nuevo al estado fundamental. Básicamente lo que habíamos conceptuado como el camino de relajación atómica. Dado que cada especie atómica tiene su propia energía de excitación, las velocidades de enfriamiento dependerán en gran medida de la composición química del gas.

En los halos con T_vir<10⁴ K, lo que supone una energía relativamente baja, se cree que el gas prácticamente no esté ionizado y sea casi completamente neutro, lo que dificulta en gran manera que se lleven a cabo los procesos de enfriamiento mencionados anteriormente. Sin embargo, todo depende de la cantidad de elementos y moléculas que se hallen presentes ya que aún pueden darse procesos de enfriamiento gracias a la relajación molecular. Estos últimos párrafos son un reflejo de lo que nos dice la curva de más arriba acerca de la eficacia de los mecanismos de refrigeración atómicos y moleculares.

Finalmente, en momentos muy primordiales con altos corrimientos al rojo (z>6) pudo ser muy eficaz la dispersión Compton inversa del fondo cósmico de microondas. Ese tipo de dispersión se da en fotones de baja energía que se encuentran en ambientes de altas energías y producidas por electrones relativistas. Los electrones relativistas pueden aumentar la energía de los fotones de baja energía en una cantidad potencialmente enorme e incluso pueden producir rayos gamma. Al huir del halo se llevarán consigo un buen plus de refrigeración.

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Resumen de las interacciones atómicas y moleculares que aparecen en el texto y que involucran a fotones, moléculas, átomos, iones y electrones.

• Procesos doblemente enlazados: Estos son los procesos por los cuales un electrón hace una transición de un nivel energético (enlazado) a otro nivel energético (enlazado) en un átomo (o ion). Tales transiciones se pueden llevar a cabo ya sea por colisiones con electrones (excitación/desexcitación por colisión) o por interacciones con fotones (excitación o decaimiento espontáneo/forzado). • Procesos de transición de un electrón entre un nivel enlazado y un estado libre: estos procesos implican la eliminación de un electrón de una órbita energética (enlazada), lo que puede suceder cuando un átomo (o ion) choca con un electrón enlazado (ionización por colisión) o cuando absorbe un fotón (fotoionización). El proceso inverso es la recombinación, por el cual un electrón libre se recombina con un ion. Colisión ionización/excitación   H° + e^- → protón + e^- + e^-

Fotoionización/foto excitación   H° + γ → protón + e^-

Recombinación   protón + electrón →  H° + γ

• Procesos libre-libre: estos procesos involucran solamente electrones libres. Cuando un electrón libre es acelerado o desacelerado, emite fotones a través de la radiación Bremsstrahlung. El electrón también puede absorber un fotón a través de una absorción libre-libre.

protón (a) + e^- (a) → protón (b) + e^- (b) + γ

• Dispersión Compton: Este es el proceso en el cual los fotones son dispersados por electrones libres (o iones). Si la energía del fotón es alta, los electrones ganan energía (el proceso Compton). Si la energía cinética del electrón es mucho mayor que la energía del fotón, la energía es transferido del electrón al fotón (inverso de Compton).

 e^- (a) + γ(a) → e^-(b) + γ(b)

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Gracias a todos estos efectos la acción gravitatoria pudo seguir consolidándose hasta estados impensables. En el fondo las casuísticas que hemos explicado llevan impresas el concepto de la masa de Jeans: la temperatura y la densidad importan. Lo vamos a ver a continuación tras un cuadro inciso que recopila la casuística de las interacciones atómicas y moleculares que han aparecido en el texto y que involucran a fotones, moléculas, átomos, iones y electrones.

Teóricamente, el pulso entre gravedad y presión lo describe la siguiente relación que define la masa mínima (“crítica”) que se precisa para iniciar un proceso de compresión exitoso. La calculó a principios del siglo pasado el astrónomo James H. Jeans y se conoce como la masa de Jeans:

La Masa crítica de la nube mantiene una proporcionalidad directa con la Temperatura e inversa con la Densidad

Lo cual es lógico, ya que cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la presión interna, y cuanto menor sea la densidad, menor será la energía gravitatoria. En el primer caso se requerirá una mayor masa para vencer la mayor presión, y en el segundo se requerirá también una mayor masa que refuerce el efecto gravitatorio. Es decir, a cualquier  nube de gas  sólo le hace falta ser lo suficientemente masiva y fría para que comience su colapso gravitatorio.

Además, un incremento de volumen va a favor de la gravedad ya que su energía absoluta en la nube crece con la potencia quinta del radio (r⁵),  mientras que la de la presión que se contrapone solamente crece con la potencia tercera del radio (r³).^[7] Al aumentar el tamaño de la nube llegará un momento en que la gravedad será la que domine. Según ello, cualquier cantidad de masa puede colapsar, ya sea grande o pequeña, venciendo a la presión, y no sólo dependiendo de la temperatura o la densidad de la nube, sino que también es decisivo cuánto de grande sea el espacio en donde se encuentra repartida. Para grandes temperaturas, la masa crítica tiene que ser muy grande. Pero podemos hacerle trampas con la densidad: si a las grandes temperaturas le confrontamos el escudo de una pequeña densidad repartida en un gran volumen, teóricamente con poca masa podemos a la larga compactar gravitatoriamente una zona del espacio sin que la presión del movimiento de las partículas del gas nos moleste. Lo que nos dice que la casuística para el derrumbe gravitatorio es muy variada, aunque, si miramos a las masas de gases que observamos a nuestro alrededor, veremos que dominan las nubes moleculares a 10K y densidades de cincuenta protones por cada centímetro cúbico, las cuales teóricamente pueden tardar en colapsar hasta cien mil años cuando consigan congregar una masa doscientas veces la de nuestro sol. Realmente pequeñas.

Así que los primeros efectos de la compresión se debieron notar lógicamente en las grandes nubes de materia. Aunque inicialmente tuvieran pequeñas densidades, como estaba repartida en grandes volúmenes, la gravedad comenzó a dominar. Los átomos, moléculas y todo tipo de partículas seguirían unos movimientos aleatorios, no “caerían” verticalmente hacia el centro de atracción gravitatoria como cae una piedra en la Tierra. Durante estas erráticas caídas chocarían unos con otros, se verían obstaculizados por las partículas cargadas que se movían de acuerdo a las líneas de campo del magnetismo de fondo del Universo e, incluso, las fuerzas gravitatorias tirarían de ellos de formas muy poco homogéneas… todo lo cual induciría unas trayectorias en zigzag y rotatorias, con densificaciones locales aleatorias que hacían imposible el que las fuerzas de la compresión fueran iguales en todos los puntos. Tampoco en todos los puntos el ventilador de fotones actuaría con la misma intensidad, de tal manera que no todas las masas de moléculas o átomos, en sus caminos de agrupamiento, podrían ejercer parecidas resistencias a la oposición que les ejercían la presión y la temperatura.

Dentro de las grandes masas las inestabilidades gravitacionales iban produciendo diversos núcleos compitiendo en la acreción de gases. Allí los momentos angulares de la materia iban conformando un especie de disco plano que giraba. Entre estos núcleos algunos de menor tamaño, distribuidos aleatoriamente en el espacio, alcanzarían antes la masa de Jeans, por lo que, aquí y allá, comenzarían a verse subgrupos colapsando a su aire dentro de un núcleo gigantesco que lo hacía a su ritmo desde hacía mucho. Las interacciones de estos núcleos de segundo orden podían seguir la física de sistemas de tres cuerpos, lo que hacía que los núcleos más pequeños se fueran a la periferia del disco plano de acreción, con menos material, mientras los núcleos grandes se iban al centro en donde ganaban masa a gran velocidad. Nos parece ya ver cómo se iba dibujando un estado inicial en donde será fácil que se produjera las semillas en un rango extenso de masas estelares.

Una vez encendidas esas primeras estrellas apareció en el escenario lo que podía ser un contratiempo para el proceso. Los rayos ultravioleta exteriores rompían las moléculas refrigeradoras de H₂ o incluso ionizaban átomos en el interior de los mini halos crecientes. Y eso era peligroso para el proceso de gestación de una nueva estrella puesto que sabemos que podría provocar frentes de choque con posterior evaporación. A ello podríamos añadir además el que los campos magnéticos de fondo imprimirían movimientos azarosos en las recién nacidas partículas ionizadas, lo que sin duda también dificultaría la compactación gravitatoria. Sin embargo esos efectos eran menores dentro de los halos compactados que en sus alrededores, ya que la propia mayor densidad en el interior de aquellos serviría de blindaje frente a la cada vez más abundante radiación ultravioleta, que tendría dificultades para atravesar esas densidades.

Las grandes masas además jugaban con otro as: una masa más compactada supone una mayor temperatura interna… y recordemos lo dicho un poco más arriba que cuando la temperatura sobrepasa los 10⁴ K, el ventilador atómico se hace realmente importante. Realmente su senda de crecimiento era potente. Mientras que los halos más pequeños que no llegaran a ese dintel de temperatura, al perder su H₂ por la acción de la radiación UV y sin la posibilidad de que los átomos resultantes pudieran refrigerar, tendrían verdaderas dificultades para alumbra una estrella.

Estas primeras estrellas de Población III eran masivas, de vida corta y extremadamente brillantes. Las explosiones de supernovas de las más masivas, o la formación de agujeros negros, o la emisión de fotones UV, tendrían un impacto significativo en el entorno, alterando la densidad del gas y desencadenando o impidiendo la formación de nuevas estrellas. Por ello, es razonable pensar que una cierta sincronización en la formación de dichas estrellas dentro de un halo oscuro primigenio fue importante. Si la formación estelar hubiera sido demasiado dispersa en el tiempo, las primeras supernovas podrían haber dispersado el gas restante del halo antes de que otras regiones densas del gas tuvieran la oportunidad de colapsar gravitacionalmente y formar estrellas. Esto habría limitado la formación de cúmulos o incluso de las primeras galaxias, produciéndose un conjunto final más pobre que el que conocemos.

Todos los párrafos anteriores explican un proceso muy teórico, espero que ahora más claro, pero merecedor de verse “perfeccionado” mediante la contemplación de su belleza cósmica reflejada en la imagen anterior de la nebulosa Rosetta tal como la vemos ahora.^[8]

Recapitulando. Inicialmente las zonas de grandes masas de materia oscura y gases bariónicos fueron las que antes corrieron hacia posiciones de compresión. Como consecuencia, se fueron formando cúmulos en los inicios de la historia universal. Cúmulos grumosos que podían estar construyendo en su interior múltiples compactaciones locales apoyadas en la compresión global de su entorno. Cuando la densidad central de esos grumos locales llegaba a ser suficientemente alta, del orden de 2.000 átomos por cm³, cada uno de ellos se auto blindaba, quedando indemnes a la acción de las fuentes ionizantes exteriores y pudiendo devenir en estrellas. Esto explicaría el por qué un gran cúmulo de gases no se transforma solamente en una gran estrella, sino que puede formar una familia de ellas que se comportan como un conjunto. Un proceso que se autorregula en sí mismo a través de circunstancias del entorno: la acción de los rayos ultravioleta propios o que venían de estrellas del exterior; o el influjo de las realimentaciones dinámicas que se producían en los gases intergalácticos, o en los propios cúmulos de las protoestrellas, tras las explosiones supernova al final de la vida de los primerísimos miembros de la Población III.

Y como una imagen vale más que mil palabras, adjunto ahora un esquema clarificador y autoexplicativo de lo que pasa dentro de los halos da materia bariónica.

Pero la vida continuaba y más tarde, dentro de cada uno de los puntos calientes del rosario de conglomeraciones que se produjo en el Cosmos, la gran presión y temperatura -que llegó a 10⁴ K- forzaron la ruptura de las moléculas de hidrógeno y helio. Tan pronto como la temperatura alcanzó valores como para permitirlo, estos átomos se ionizaron. En esos grumos todo volvió a ser algo que olía al plasma original; la radiación en cierta medida ya no volaba tan libremente y sus interacciones con la materia volvían a ser decisivas. Estos fueron unos momentos críticos para nosotros, ya que estas circunstancias iniciaron, en lo que iban a ser las primeras estrellas, los procesos de fusión a partir de las moléculas de hidrógeno disgregadas. El Universo se abrió a la posibilidad de enriquecer su nómina de elementos químicos… ¡qué seríamos nosotros sin el calcio o el magnesio, el carbono y el oxígeno.^[9] Se estaban formando las primeras galaxias, esas que creemos haber visto con el telescopio Hubble en los primeros cientos de millones de años tras el Big Bang. Dentro de ellas tenían que habitar unas estrellas, aún no vistas, que se las conoce como de Población III, mucho más masivas que nuestro Sol, súper calientes y que debieron tener una vida fugaz, quizás unos 4 o 5 millones de años.

Lo “breve” de su existencia se explica ya que en aquel momento prácticamente todo era hidrógeno y helio. Y sucede que a partir de gases muy ligeros, lo que suponía densidades bajas, la compactación sólo se consiguió, según nos dice el ya mencionado equilibrio de Jeans, cuando acabó por reunirse la masa requerida como para que por su cuantía se hubiera alcanzado el necesario poder gravitacional. Y en las estrellas, incluidas las actuales, sucede que a mayor masa comprimiendo se necesita una mayor presión para contenerla, y eso solo puede ser consecuencia de una mayor viveza en las reacciones de fusión en su interior. Y eso implica una quema de combustible muy rápida y, por tanto, vidas muy cortas.

En sus aleatorias trayectorias durante la compactación hacia el alumbrado de estrellas, las partículas que se movían y giraban, obligadas por el principio de conservación del momento angular, habían tenido que mantener ese momento.^[11] Una vez que en un cúmulo se alcanza una densidad crítica, el colapso gravitacional comienza a dominar, el sistema experimenta una contracción significativa y la compactación toma el control a la acreción de materia. Este proceso implica una rápida disminución del radio que va a inducir un incremento de la velocidad de giro. Por lo que cada vez giraban más y más rápido, como peonzas dentro de los cúmulos de materia oscura que las portaban. La rotación acelerada producía un viento centrífugo de partículas que chocaban con las vecinas del exterior, ejerciendo sobre ellas un influjo de ralentización en su velocidad de caída gravitacional. Era como si se fuera generando un huevo aislado en cuyo interior la presión iba en aumento mientras que en su exterior todo quedaba más relajado.

Simulación de un baile de las dos estrellas de un sistema binario alrededor de su centro de masas marcado como una cruz roja (Wikimedia, dominio público)

Todo ese proceso en su conjunto debió ser espectacular. A medida que se iba compactando la nube de gas el ventilador de fotones iba haciendo su papel, cada vez con mayor intensidad al irse incrementando la temperatura de la nube que se apelmazaba. A lo largo de la larga “caída gravitatoria” se cree que la mitad de la masa se transformó en energía calorífica que iba siendo irradiada al exterior gracias a sus mecanismos de enfriamiento, radiación que tenía que ser más intensa a medida que la masas compactada alcanzaba más y más temperatura. Durante un brevísimo instante de tiempo nuestro proyecto de estrella brilló con una luminosidad infrarroja superior a la de 10.000 soles. Luego llegó el momento en que comenzó la fusión nuclear, de forma que este cuerpo de gas irradió nuevos fotones mucho más energéticos. El conjunto debió de ser como un prolongado flash de luz que pasó del no visible infrarrojo a un continuo espectro luminoso… y más.

Se había encendido la luz de las estrellas y el Universo, que hasta entonces había sido oscuro, comenzó a ser un espectáculo de luz, parte de la cual se encontraba dentro de la escala de frecuencias detectables por un ojo biológico. Sí, efectivamente, entonces no había ojos, lo cual no quita ningún ápice al esplendor del momento.

Aunque a la par algo iba sucediendo. Lo veremos en la siguiente entrada. ¡Paciencia!

1. Ya hablamos de la función catalizadora de los electrones en la reacción de formación de moléculas de hidrógeno en la entrada 20. Las uniones químicas covalentes -para más detalles ver el enlace a una entrada del blog “El Cedazo”- no son más que el resultado de que los átomos de los elementos se encuentran más cómodos en configuraciones semejantes a la del gas noble más próximo, por lo que tienden a tener la capa más externa de electrones absolutamente rellena. Así, al hidrógeno le apetece parecerse en sus electrones a lo que tiene el helio, es decir, dos. Y para eso lo que hace es buscarse un partenaire con el que compartir para rellenar el primer nivel. Dos hidrógenos lo harán con un oxígeno y saldrá una molécula de agua, H-O-H. Dos hidrógenos se entenderán y formarán su molécula de H₂con una energía de enlace de 4,52 eV. Imaginad su fortaleza cuando en aquellos momentos la energía promedio del Universo rondaría las centésimas de un electronvoltio. [↩]
2. La energía térmica es proporcional a la velocidad de los átomos y moléculas dentro del sistema de gases. A mayor temperatura, mayor será la violencia entre los choques que se produzcan y mayor la presión interna generada. El límite para el equilibrio antes de que se pueda iniciar el colapso gravitacional es que la energía potencial sea el doble de la cinética. Ya se comentó en la entrada 21 cuando hablamos de la virialización del halo. [↩]
3. Para una mayor información acerca de los campos magnéticos del Universo podéis leer el siguiente artículo: “El universo tendría un alma magnética invisible”, Eduardo Martínez de la Fe, Tendencias 21, 2021. [↩]
4. Esas curvas dibujan las tasas de enfriamiento en función de la temperatura para un gas primordial compuesto de hidrógeno y helio atómicos, así como de hidrógeno molecular en ausencia de radiación externa. Se ha supuesto que la densidad numérica de hidrógeno es de 0,045 cm⁻³, que corresponde a la densidad media de los halos virializados en z=10. El eje de ordenadas está en unidades Λ/n²_H donde Λ es la velocidad de enfriamiento del volumen (en erg cm3/seg). La línea sólida muestra la curva de enfriamiento para un gas atómico, el “ventilador cósmico fotónico”, con los picos característicos debido a la excitación por colisión del H I (H) y de los iones He II (He⁺⁺). La línea punteada muestra la contribución adicional del enfriamiento molecular, la “excitación de un gas perturbado”, asumiendo una abundancia molecular igual a 0,1% de n_H.  Ver “In the Beginning: The First Sources of Light and the Reionization of the Universe”, figura 12, Rennan Barkana, mayo 2001. [↩]
5. Algunos de los principales procesos refrigeradores tienen que ver con la relajación a nivel de las estructuras finas del oxígeno y del carbono, que emiten fotones de 63 y 158 μ respectivamente. La línea del C⁺ puede acumular hasta el 1% de la emisión energética de una galaxia. “The Road to Galaxy Formation”, capítulo 10.3, William C. Keel, Praxis Publishing Ltd, Chichester, UK, 2007 [↩]
6. La radiación de frenado o Bremsstrahlung es una radiación electromagnética producida por la desaceleración de una partícula cargada de baja masa (por ejemplo, un electrón) debido al campo eléctrico producida por otra partícula con carga (por ejemplo, un núcleo atómico). Este tipo de radiación fue descubierto por Nikola Tesla cuando hacía experimentos con altas frecuencias entre 1888 y 1897. [↩]
7. Lo podemos ver al analizar la ecuación que fija la condición con la que nos estamos manejando: que la energía gravitacional sea mayor (>) que la energía térmica. La ecuación es la siguiente: 3/5 [GM²/R] > 3/2 [M/μm_H] kT en donde M, R y T son respectivamente la masa, el radio  y la temperatura de la nube. Y la masa, a su vez, es proporcional al cubo del radio. [↩]
8. Realmente la imagen que captamos ahora en la Tierra salió del lugar donde se situaba la nebulosa hace 5.200 años. La radiación de las estrellas jóvenes excitan los átomos de la nebulosa haciendo que emitan radiación dándole esta sensación de brillo. [↩]
9. Si queréis saber de este misterio os recomiendo leer la entrada, de la que dejo más abajo el enlace, del blog “El Tamiz” que habla de ello en el contexto de las supernovas de tipo II. [↩]
10. Ver la publicación “A multi-code analysis toolkit for astrophysical simulation data”, figura 4, Matthew J. Turk et al., The Astrophysical Journal, diciembre 2010. [↩]
11. El principio de conservación del momento angular dice que si el momento de las fuerzas exteriores es cero -lo que no implica que estas fuerzas sean cero-, el momento angular total se conserva, es decir, permanece constante. [↩]