¿Por qué nacen menos estrellas si todavía sobra hidrógeno cósmico?

El universo sigue teniendo materia prima, pero su gran fábrica de estrellas funciona cada vez más despacio. Durante los últimos 4.500 millones de años, el ritmo cósmico de formación estelar ha caído aproximadamente 2,5 veces. Dicho de otro modo: en aquella época nacían estrellas a un ritmo muy superior al actual y hoy la producción se ha reducido a cerca del 40% de aquel nivel.

Lo desconcertante es que el depósito que parecía destinado a vaciarse no se ha vaciado. El hidrógeno atómico neutro, uno de los principales reservorios gaseosos de las galaxias y paso previo esencial para fabricar nuevas estrellas, ha disminuido mucho menos. La explicación más sencilla —se forman menos astros porque se acaba el combustible— pierde así buena parte de su fuerza. El problema parece estar, más bien, en lo que ocurre entre tener el gas y conseguir transformarlo en el material denso del que realmente nacen las estrellas.

Eso es lo que revela un amplio estudio internacional publicado en Nature Astronomy, dirigido por investigadores de la Academia China de Ciencias y realizado con datos de unos 2,5 millones de galaxias. La colaboración reúne instituciones de varios países y cuenta también con participación italiana de la Universidad de Milán y del Observatorio Astronómico de Brera del INAF. La imagen que deja el trabajo es rara y fascinante: el universo conserva una despensa considerable, pero cocina cada vez menos estrellas.

El universo ha reducido drásticamente su producción de estrellas

Las estrellas no aparecen simplemente porque exista hidrógeno flotando alrededor. Su nacimiento exige una cadena bastante más delicada. El gas debe concentrarse, enfriarse y terminar formando regiones lo bastante densas como para que la gravedad haga su trabajo. Cuando una nube alcanza determinadas condiciones, comienza a colapsar y puede encender una nueva estrella.

Ese mecanismo sigue funcionando, claro. Basta mirar algunas nebulosas de nuestra propia galaxia para comprobarlo. Lo que ha cambiado es la frecuencia con la que sucede a escala cósmica.

El nuevo trabajo estudia un periodo enorme incluso para los estándares humanos: los últimos 4.500 millones de años, aproximadamente la edad del sistema solar. A lo largo de ese intervalo, la densidad cósmica de formación estelar ha disminuido por un factor de 2,46. No significa que el universo se haya apagado, sino que su maquinaria creadora se ha vuelto mucho menos productiva.

Una caída que el hidrógeno no puede explicar por sí solo

Aquí aparece la anomalía. Los investigadores midieron cómo ha evolucionado la densidad de hidrógeno atómico neutro, denominado H I por los astrónomos. El descenso observado inicialmente es de solo 1,35 veces, con una incertidumbre de 0,10. Una vez aplicadas correcciones sistemáticas conservadoras al modelo, la reducción estimada es incluso menor: alrededor de 1,12 veces. Muy lejos del desplome de 2,46 registrado en la formación de estrellas.

La versión redondeada del resultado resulta especialmente gráfica: hace 4.500 millones de años el universo producía aproximadamente 2,5 veces más estrellas, mientras que disponía de solo unas 1,4 veces más hidrógeno atómico según la medición bruta.

Las dos curvas, que en una explicación sencilla deberían descender casi juntas, se separan. Y bastante.

El combustible existe, pero no todo el hidrógeno sirve igual

Hablar de combustible puede inducir a error. El hidrógeno atómico neutro constituye una enorme reserva de materia prima, pero las estrellas se forman principalmente dentro de nubes de hidrógeno molecular, H2, mucho más densas y frías.

Entre una cosa y otra existe una transformación física decisiva. Primero está ese hidrógeno atómico relativamente disperso; después, bajo las condiciones adecuadas, parte del gas se convierte en moléculas de hidrógeno. Es en esas regiones moleculares donde la gravedad puede comprimir la materia hasta levantar una nueva estrella.

Una galaxia puede, por tanto, conservar bastante hidrógeno y tener al mismo tiempo una capacidad mediocre para fabricar estrellas. Algo parecido a disponer de un almacén lleno de harina con el horno apagado. La materia está ahí; la cadena de producción, no tanto.

El propio estudio señala que la densidad del gas molecular conocida mediante otras observaciones evoluciona de una forma mucho más parecida al ritmo de formación estelar que el hidrógeno atómico. Ese detalle desplaza el foco científico. El misterio ya no consiste principalmente en saber dónde se fue todo el gas, sino en comprender por qué una proporción menor consigue alcanzar el estado adecuado para generar estrellas.

Del hidrógeno atómico al molecular, el tramo decisivo

Una de las hipótesis planteadas por los investigadores es que la reducción de la densidad del gas haya ido haciendo menos eficiente la conversión de hidrógeno atómico en hidrógeno molecular.

El universo se expande. Las galaxias cambian, también su alimentación desde el medio que las rodea. Si el gas disponible alcanza densidades más bajas o llega a las galaxias bajo condiciones distintas, puede resultar más difícil crear esas nubes moleculares frías y compactas donde comienzan las nuevas generaciones de estrellas.

No significa que el estudio haya demostrado definitivamente que este mecanismo sea el culpable. Conviene no atropellar la evidencia. El trabajo mide de forma especialmente precisa la evolución del H I, no toda la cadena física que lleva desde el gas atómico hasta el nacimiento de una estrella. La menor eficiencia de conversión aparece como una explicación compatible con las observaciones y como un objetivo claro para futuras mediciones.

El resultado contiene otro detalle importante. Al comparar galaxias de una misma masa estelar, los investigadores encuentran que la fracción media de hidrógeno atómico ha cambiado menos de 0,2 dex durante el periodo analizado. La relativa estabilidad del gas no parece, por tanto, producto de un pequeño grupo de galaxias extrañas, sino una característica extendida de la población estudiada.

Eso complica todavía más los modelos de evolución galáctica. Durante años, una explicación intuitiva del envejecimiento cósmico consistía en imaginar galaxias que consumían gradualmente sus reservas hasta quedarse sin material para fabricar estrellas. La realidad resulta menos cómoda: muchas conservan un depósito considerable, pero lo aprovechan peor.

FAST y DESI han escuchado una señal casi enterrada en el ruido

Medir todo esto no consiste en fotografiar un depósito gigantesco de hidrógeno. El hidrógeno neutro emite una señal de radio característica con una longitud de onda de 21 centímetros, muy útil para estudiar la materia gaseosa de las galaxias. El inconveniente es que, cuando esas galaxias están muy lejos, la señal individual se vuelve tan débil que puede desaparecer prácticamente dentro del ruido instrumental.

El equipo combinó dos herramientas que se complementan de manera muy precisa. El radiotelescopio chino FAST, con su enorme sensibilidad, permite detectar emisiones extraordinariamente débiles. DESI, el Instrumento Espectroscópico para la Energía Oscura instalado en el telescopio Nicholas U. Mayall de Estados Unidos, aporta posiciones y distancias para cantidades gigantescas de galaxias.

Los investigadores recurrieron entonces al denominado apilamiento de espectros. En lugar de exigir una detección clara de hidrógeno en cada galaxia, alinearon millones de señales utilizando el desplazamiento al rojo conocido de cada objeto y las combinaron estadísticamente. Una voz apenas audible se pierde en una habitación ruidosa; 2,5 millones de voces susurrando exactamente lo mismo empiezan a escucharse.

El análisis abarca alrededor de 12.000 grados cuadrados del cielo, casi un tercio de toda la esfera celeste, y galaxias situadas dentro del intervalo de desplazamiento al rojo comprendido entre 0 y 0,41. Esa combinación de profundidad, superficie y tamaño de la muestra permite reconstruir con una precisión poco habitual cómo ha variado el hidrógeno cósmico durante miles de millones de años.

La fábrica cósmica sigue abierta, pero va mucho más lenta

La nueva medición descarta una versión demasiado simple del envejecimiento del universo: la formación estelar no ha caído principalmente porque las galaxias hayan agotado rápidamente su hidrógeno atómico. El depósito se ha reducido, sí, pero demasiado poco como para explicar por sí solo el descenso observado.

Quedan sobre la mesa procesos mucho más sutiles. La transformación del H I en hidrógeno molecular, la capacidad del gas para enfriarse, la presión dentro de las galaxias, la llegada de nuevo material desde su entorno y los mecanismos que pueden calentar o expulsar gas forman parte de una maquinaria que todavía no está completamente descrita. También intervienen fenómenos como las supernovas y la actividad de los agujeros negros centrales, capaces de alterar profundamente el gas de una galaxia.

El hallazgo no resuelve, por tanto, el viejo problema de por qué el cosmos contemporáneo produce muchas menos estrellas. Hace algo científicamente más incómodo y más valioso: elimina una respuesta fácil.

Tras 4.500 millones de años, una gran cantidad de hidrógeno continúa ahí, suspendida en las galaxias como leña húmeda junto a un fuego que pierde intensidad. El universo no parece sufrir simplemente una crisis de combustible. El atasco está en otra parte, probablemente en la compleja transformación que convierte ese gas abundante en las nubes moleculares capaces de encender nuevos soles. Y ese tramo, justo ese, acaba de convertirse en una de las piezas más interesantes del gran rompecabezas de la evolución cósmica.