The recent launch of the James Webb Space Telescope is reshaping our understand ing of the early Universe. The telescope is routinely detecting galaxies from the reionization era (z = 6-13), when the Universe as a whole was extremely metal poor (XMP, ≤ 0.10 Z⊙). To interpret these observations, it is crucial to understand the physics and evolution of XMP massive stars. These objects dominate the integrated UV-optical light of early galaxies, drive their dynamical and chemical evolution, and ionize their nebular gas. Their evolutionary tracks must be entered into population synthesis codes to translate the redshifted light of early galaxies into physical properties. However, these tracks have only been tested against meaningful observational samples down to the metallicity of the Small Magellanic Cloud (SMC, 0.20 Z⊙) and remain unconstrained at extremely low metallicity.
Our Local Group (LG) and vicinity harbour dwarf galaxies with extremely low metallicity and resolved stellar populations, providing a unique opportunity to characterize the stellar properties of XMP massive stars, and ultimately constrain their evolutionary tracks. However, these galaxies are located at the outskirts of the LG (typically at distances ≥ 1 Mpc), making their spectroscopic study highly challenging. Before this thesis, no classification schemes tailored to extremely low metallicities existed, nor were there any theoretical calibrations of stellar parameters or colours available to compare with observations. Moreover, only 23 XMP OB-type stars had been discovered, and just 5 of them had spectra of sufficient quality to determine their fundamental stellar properties. This thesis seeks to address both the dearth of observations and the absence of guidelines in the study of XMP massive stars.
We first built reference frameworks to guide future studies of XMP OB-type stars. Central to this effort was adapting the existing classification schemes for the Milky Way and the SMC to extremely low metallicity. Parsing an extensive grid of FASTWIND models by our criteria allowed us to produce synthetic standard spectra to aid spectral classification, to identify new diagnostics in alternative wavelength ranges (3000-4050 Å and 4650-9000 Å) covered by current and future instrumentation, and to construct the first calibrations of stellar parameters and colours for 0.10 Z⊙ OB stars.
We then performed an extensive spectroscopic survey of the massive stellar population of the 0.10 Z⊙ galaxy Sextans A, which at the time was the only LG galaxy with confirmed sub-SMC oxygen and iron abundances. Through 5 observing campaigns at the Gran Telescopio Canarias, we assembled a spectroscopic collection of +150 OB stars, the largest census of massive stars ever compiled at sub-SMC metallicities. This catalogue revealed isolated massive stars in regions devoid of gas, significant and uneven extinction within the galaxy, and potential candidates for exotic evolutionary pathways: chemically homogeneous evolution and stripped stars.
Lastly, we derived the stellar parameters of 41 O stars from our catalogue, the first analysis of an extensive sample of 0.10 Z⊙ O stars. This analysis allowed the extension of the observational Teff scales for XMP O stars across the three main luminosity classes and provided new insights into the origin of the isolated stars in Sextans A. It also found no evidence for the exotic objects predicted at extremely low metallicity, such as chemical homogeneous evolution or very-massive stars.
This thesis has pushed the capabilities of the current optical instrumentation to their limits in order to advance our understanding of XMP OB-type stars. The tools and results delivered in this work represent foundational steps towards a complete characterization of the physics and evolution of XMP massive stars, ultimately contributing to our understanding of the conditions and processes that shaped the early Universe.
El reciente lanzamiento del telescopio espacial James Webb está redefiniendo nuestra comprensión del Universo primitivo. Este telescopio detecta ya rutinaria mente galaxias de la época de la reionización (z = 6-13), un período en el que el Universo en su conjunto era extremadamente pobre en metales (XMP, ≤ 0.10 Z⊙). Para interpretar estas observaciones, es fundamental comprender la física y la evolución de las estrellas masivas XMP. Estos objetos dominan la luz integrada en el rango ultravioleta-óptico de las galaxias tempranas, determinan su evolución dinámica y química, e ionizan su gas nebular. Sus caminos evolutivos deben integrarse en los modelos de síntesis de poblaciones para convertir la luz integrada de las galaxias tempranas en propiedades físicas. Sin embargo, los modelos de evolución estelar solo han sido validados con muestras observacionales significativas hasta la metalicidad de la Pequeña Nube de Magallanes (SMC, 0.20 Z⊙) y no están constreñidos a metalicidades extremadamente bajas.
Nuestro Grupo Local y sus alrededores contienen galaxias XMP con poblaciones estelares resueltas, ofreciendo una oportunidad única para caracterizar las propiedades de las estrellas masivas XMP y restringir sus trayectorias evolutivas. Sin embargo, estas galaxias se encuentran en los límites del Grupo Local (≥ 1 Mpc), lo que dificulta considerablemente su estudio espectroscópico. Antes de esta tesis, no existían esquemas de clasificación específicos para metalicidades extremadamente bajas, ni calibraciones teóricas de parámetros estelares o colores. Además, solo se habían descubierto 23 estrellas OB XMP, de las cuales solo 5 tenían calidad espectral suficiente para determinar sus propiedades físicas. Esta tesis busca abordar tanto la escasez de observaciones como la falta de guías en el estudio de las estrellas masivas XMP.
En primer lugar, construimos referencias para guiar futuros estudios de estrellas OB XMP. El eje central de este esfuerzo fue adaptar los esquemas de clasificación existentes de la Vía Láctea y la SMC a metalicidades extremadamente bajas. Clasificar una extensa red de modelos FASTWIND con nuestros criterios nos permitió producir espectros estándar sintéticos que facilitan la clasificación espectral, identificar nuevos diagnósticos en rangos espectrales alternativos (3000-4050 Å y 4650-9000 Å) cubiertos por instrumentos actuales y futuros, y construir las primeras calibraciones de parámetros estelares y colores para estrellas OB con 0.10 Z⊙.
Posteriormente, exploramos espectroscópicamente la población estelar masiva de la galaxia Sextans A, cuya metalicidad de 0.10 Z⊙ la convertía, en ese momento, en la única galaxia del Grupo Local con un contenido confirmado de oxígeno y hierro inferior al de la SMC. Mediante 5 campañas de observación en el Gran Telescopio Canarias, obtuvimos una colección espectroscópica de más de 150 estrellas OB, el censo más extenso de estrellas masivas jamás construido a metalicidades sub-SMC. Este catálogo reveló estrellas masivas aisladas en zonas con bajo contenido en gas, una extinción interna significativa y no uniforme en la galaxia, y candidatos a experimentar caminos evolutivos exóticos: evolución químicamente homogénea y estrellas stripped.
Por último, determinamos los parámetros estelares de 41 estrellas O de nuestro catálogo, el primer análisis de una muestra extensa de estrellas O con 0.10 Z⊙. Este análisis permitió extender la escala de Teff para estrellas O XMP en las tres principales clases de luminosidad y proporcionó nuevas perspectivas sobre el origen de las estrellas aisladas en Sextans A. Además, no encontró ninguna evidencia de los objetos exóticos predichos a metalicidades extremadamente bajas, como la evolución químicamente homogénea o las estrellas muy masivas.
En esta tesis, se ha llevado al límite las capacidades instrumentales actuales para avanzar en nuestra comprensión de las estrellas OB XMP. Las herramientas y resultados obtenidos son pasos fundamentales hacia una caracterización completa de la física y evolución de las estrellas masivas XMP, contribuyendo en última instancia a nuestra comprensión de las condiciones y procesos que dieron forma al Universo primitivo.
