Una investigación realizada por un equipo científico de la Universidad de Heidelberg (UH), el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) permite resolver la discrepancia de abundancias, un enigma de hace 80 años sobre la composición química del Universo. Encuentran que el efecto de las variaciones de temperatura en las grandes nubes de gas donde nacen las estrellas ha llevado a subestimar la cantidad de elementos pesados en el Universo. Los resultados han sido publicados en la prestigiosa revista Nature.

Todas las estrellas nacen, viven y mueren, y de ello depende la existencia de la vida. En el origen del Universo, toda la materia existente consistía en hidrógeno y helio (los dos elementos químicos más sencillos), con pequeñísimas cantidades de litio. El resto de los elementos químicos (como el carbono y el oxígeno, indispensables para los seres vivos) se han formado posteriormente, a través de diversos procesos relacionados con la evolución y muerte de las estrellas. De ahí la conocida afirmación de “somos polvo de estrellas”.

Entre las fases de muerte y nacimiento de nuevas estrellas, la materia se acumula en gigantescas nubes de gas que son iluminadas por estrellas neonatas. Estas nubes brillantes reciben el nombre de regiones HII (la Nebulosa de Orión sería el ejemplo más conocido). La luz que emiten puede observarse hasta en las galaxias más lejanas y son clave para trazar la historia de la formación estelar y determinar la composición química del Universo. Sin embargo, las distintas formas de estudiar estas regiones HII han dado lugar a resultados discrepantes durante los últimos 80 años.

Hizo falta descubrir la estructura del átomo para dar el gran salto al descubrimiento del Universo a través de la espectroscopía. Esta técnica, que permite analizar la composición química de la materia a partir de la dispersión de la luz, aporta información de la proporción de elementos químicos, temperaturas, densidades, velocidades, etc. Este código de barras está compuesto por líneas y cada línea está asociada a diferencias de energía únicas de cada elemento químico según su composición y condiciones físicas.

Sin embargo, desde 1942 se encontró que, para un mismo átomo, las brillantes líneas producidas por colisiones entre éste y los electrones (líneas excitadas colisionalmente) proporcionaban aproximadamente la mitad de la abundancia que las líneas producidas por la captura de electrones (líneas de recombinación). Así, determinar cuál es la abundancia correcta de los elementos químicos en las nebulosas ha sido un quebradero de cabeza para muchos astrónomos durante más de ocho décadas.

Una nueva perspectiva

Durante ese largo periodo de tiempo, han surgido diversas hipótesis para explicar el problema. Una de las más destacadas es la planteada, en 1967, por Manuel Peimbert, investigador de la UNAM y coautor del presente artículo. Según este astrofísico, el brillo de las líneas excitadas colisionalmente depende fuertemente de la temperatura; si ésta presenta variaciones, las abundancias químicas estarán subestimadas. En cambio, las líneas de recombinación no presentan dicho problema, proporcionando los valores correctos.

Para César Esteban, investigador del IAC, profesor de la Universidad de La Laguna y coautor del artículo, hay un problema añadido: “Una de las mayores dificultades para cuantificar la discrepancia de abundancias es que las líneas de recombinación de elementos pesados son extremadamente difíciles de observar, siendo aproximadamente 10.000 veces más débiles que las líneas excitadas colisionalmente producidas por el mismo átomo”.

Este reto motivó al equipo de investigación a utilizar los mayores y más avanzados telescopios del mundo, entre ellos el Gran Telescopio Canarias (GTC o Grantecan) ubicado en el Observatorio del Roque de los Muchachos, en la Palma. “Tras más de 20 años de observar y analizar en detalle una gran cantidad de regiones HII, nuestro grupo del IAC ha reunido un conjunto de datos espectroscópicos de nuestra Vía Láctea y otras galaxias con una calidad sin precedentes que ha hecho posible este resultado”, señala Jorge García Rojas, también investigador del IAC y coautor del artículo.

Gracias a la gran calidad de los datos obtenidos, el equipo ha conseguido encajar todas las piezas del rompecabezas al descubrir que las variaciones de temperatura están presentes, pero no en toda la nebulosa, sino concentradas en las zonas más internas e ionizadas. “De hecho, sorprendentemente, encontramos que la temperatura calculada con las líneas de nitrógeno [NII] es representativa del valor promedio de las zonas externas de las nebulosas y, por lo tanto, útil para calcular las abundancias químicas correctas”, explica José Eduardo Méndez-Delgado, investigador de la UH y autor principal del artículo. “La evidencia observacional ya estaba disponible, solo faltaba verla con la perspectiva adecuada”, añade.

Desde este nuevo escenario, el equipo de investigación ha podido constatar que la inmensa mayoría de los estudios previos basados en el análisis de las brillantes líneas excitadas colisionalmente han subestimado las abundancias de elementos pesados. “Además, la evidencia indica que este efecto podría ser mayor en los objetos menos evolucionados del Universo como, por ejemplo, las galaxias lejanas y jóvenes que estamos descubriendo con el telescopio espacial James Webb”, comenta Kathryn Kreckel, investigadora de la UH y coautora del artículo.

El estudio propone también una serie de relaciones que permiten estimar correctamente la abundancia de elementos pesados aún sin la necesidad de observar las débiles líneas de recombinación. “Esto permite corregir los datos disponibles y analizar adecuadamente las observaciones futuras, lo que sin duda cambiará muchas de las ideas que teníamos sobre la composición química del Universo”, concluye Méndez Delgado, quien finalizó su tesis doctoral en el IAC en 2022.

Artículo: José Mendez-Delgado; César Esteban; Jorge García-Rojas et al: “Temperature inhomogeneities cause the abundance discrepancy in HII regions”, Nature, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05956-2