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7 jun 2020

Diez preguntas sin respuesta sobre estrellas gigantes

Con masas que pueden alcanzar 200 veces la de nuestro Sol (que ya es bastante grande), las estrellas supermasivas aún presentan desafíos para la astronomía moderna.
 
Nebulosa_ngc_604 - Una Galaxia Maravillosa

Nuestro sol es una gran estrella. Con un radio promedio de 696,000 kilómetros y 1.3 millones de kilómetros de diámetro, tiene una superficie 12,000 veces mayor que la Tierra. Pero en comparación con otras estrellas, él es promedio. Betelgeuse, un gigante rojo que estaba en peligro de convertirse en una supernova, es aproximadamente 700 veces más grande y 14,000 veces más brillante.

Y a pesar de haber sido estudiadas durante décadas, las estrellas masivas aún guardan muchos secretos para los astrónomos. El sitio web de la revista Astronomy consultó con los investigadores Cássio Barbosa, de la Universidad de São Paulo, y Donald Figer, del Instituto de Tecnología de Rochester, para averiguar qué preguntas sobre estos gigantes aún no han sido respondidas por la ciencia.

Zeta Ophiuchi - Una Galaxia Maravillosa
Zeta Ophiuchi. Imagen: Nasa / JPL-Caltech / UCLA

1. ¿A qué distancia están las estrellas masivas?

El mejor método para obtener la distancia de las estrellas consiste en medir su posición en relación con los objetos más alejados de los lados opuestos de la órbita de la Tierra. Usando trigonometría simple, es posible convertir el desplazamiento angular en una distancia. Desafortunadamente, estos ángulos son tan pequeños que el método solo puede aplicarse a estrellas cercanas al Sol.

Este estudio se actualizó en 1989 con el lanzamiento del satélite Hipparcos de la Agencia Espacial Europea (ESA). En tres años y medio, los astrónomos han obtenido mediciones de distancia confiables - con una incertidumbre de menos del 10% - para casi 120,000 estrellas en un radio de 300 años luz.

Sin embargo, en esta muestra no hay una sola estrella masiva. Por lo tanto, los astrónomos solo pueden estimar las distancias que estas estrellas están de la Tierra, como Zeta Ophiuchi, que tiene 19 veces la masa del Sol y está aproximadamente a 370 años luz de distancia.

Sin una distancia precisa, es imposible conocer las propiedades reales de una estrella, como su luminosidad, y esto lleva a la incertidumbre en los modelos teóricos de la astronomía extragaláctica. Se espera que con el satélite Gaia, sucesor de Hipparcos, sea posible obtener distancias precisas de mil millones de estrellas a una distancia de 30 mil años luz.

Monoceros R2 - Una Galaxia Maraviilosa
Imagen infrarroja del vivero estelar Monoceros R2, ubicado a unos 2.700 años luz de distancia en la constelación de Monoceros (el Unicornio). Imagen: ESO / J. Emerson / Vista

2. ¿Cómo se forman las estrellas masivas?

En el mundo científico, dos teorías se enfrentan. En el primero, las estrellas masivas se forman como sus versiones más pequeñas: la gravedad hace que una nube de gas interestelar se colapse y fragmente, con estrellas grandes y pequeñas que se forman en el proceso.

Sin embargo, los objetos masivos deberían iniciar reacciones nucleares mucho antes de que alcancen su forma final. Las reacciones que emiten radiación intensa evitarían que se acumule más materia. Sin embargo, un ligero cambio puede salvar esta idea: los fragmentos más grandes se convertirían en protostars de tamaño mediano, cada uno rodeado por un disco de acreción. Las estrellas en crecimiento ganarían peso alimentándose de sus discos. Al menos una estrella masiva, ubicada en la Nebulosa Omega (M17), se está formando como lo predice este modelo.

Otro modelo involucra simulaciones que muestran inestabilidades en el proceso de formación, creando canales para canalizar la radiación y permitiendo que el gas se acumule.

La segunda teoría sugiere que las estrellas masivas nacen cuando colisionan objetos más pequeños. La mayoría de las grandes estrellas viven en cúmulos, y cuantas más estrellas contenga un cúmulo, más masivas son. Las observaciones de rayos X revelan muchas estrellas de baja masa cerca de objetos masivos, que podrían servir como "alimento". Las simulaciones por computadora también muestran que las colisiones pueden ser un método efectivo para crear estrellas masivas.

Para algunos científicos, la respuesta correcta puede ser: "todo lo anterior".

HD 15558 - Una Galaxia Maravillosa
HD 15558 es un sistema estelar masivo ubicado en la Nebulosa del Corazón. Imagen: Wikimedia Commons

3. ¿Cuál es la masa máxima de una estrella?

La investigación estadística de grandes grupos ha demostrado que no hay estrella con una masa mayor de 150 a 200 masas solares. El único método confiable de medición consiste en estudiar las órbitas de las estrellas binarias, pero es posible que haya estrellas más masivas.

Por ejemplo, la estrella HD 15558 puede contener 152 masas solares (con un "margen de error" de aproximadamente 46 masas solares).

Además de la observación directa, los astrónomos también se preguntan si existe un límite físico más allá del cual no se pueda formar una estrella.
 
 
Nebulosa del Águila - Una Galaxia Maravillosa
Nebulosa del Águila (Messier 16 o NGC 6611). Imagen: ESO
4. ¿Cuál es el papel de las grandes estrellas después del Big Bang?

En los minutos posteriores al Big Bang, el universo sintetizó solo unos pocos elementos ligeros: hidrógeno, helio y litio. Los modelos teóricos indican que estas estrellas nacieron entre 100 y 250 millones de años después del Big Bang y cada una contenía varios cientos de veces la masa del Sol.

De esta mezcla, nacieron las primeras estrellas, que jugaron un papel crucial en la evolución cósmica: sembraron el universo con elementos más pesados ​​y, gracias a su radiación ionizante, hicieron que el cosmos volviera a ser transparente.

Estos objetos enormes, sin embargo. murieron en gigantescas explosiones de supernovas que expulsaron todos los elementos sintetizados dentro de ellos. Si nuestros huesos contienen calcio, si nuestras computadoras tienen silicio y nuestras plantas de energía nuclear funcionan con uranio, agradezca a estas estrellas y sus descendientes.

Todavía no se sabe cómo se formaron estos objetos gigantes, ni siquiera qué propiedades tenían.

NGC 2346 - Una Galaxia Maravillosa
La nebulosa del "ala de mariposa", NGC 2346, está a unos 2.000 años luz de la Tierra. En su centro, un sistema estelar binario. Imagen: NASA / STScl

5. ¿Cómo se forman los grandes sistemas binarios?

Las estrellas masivas generalmente aparecen en pares, y si ya es difícil determinar cómo se forma una estrella, imagine dos ...

Los astrónomos han desarrollado varios escenarios. Estos sistemas pueden haberse formado por "captura": en un cúmulo, las estrellas se mueven continuamente y ocasionalmente se encuentran, formando una "pareja".

Un segundo proceso implica "fisión". Una estrella que gira rápidamente se hincha en el ecuador. Aumente la velocidad de rotación que puede romperse en dos. Desafortunadamente, solo se pueden formar binarios cercanos por fisión, y algunos binarios masivos tienen amplias separaciones.

La tercera idea es la "fragmentación": una nube protostelar se divide en varias partes que permanecen cercanas entre sí. O bien, una protostar puede estar rodeada por un disco de acreción tan grande que se une a otra estrella.


Júpiter - Una Galaxia Maravillosa
La ilustración muestra un Júpiter "caliente" orbitando una de las estrellas en el glomerado Messier 67 en la constelación de Cáncer. Imagen: ESO / L. Acera

6. ¿Se pueden formar planetas alrededor de estrellas masivas?

No se encontró ningún planeta orbitando una estrella masiva. Pero la ausencia de evidencia no es evidencia de ausencia.

Los planetas están formados por discos de gas y polvo que rodean las estrellas. Pero las condiciones cercanas a una estrella masiva no son nada amigables. Estos soles calientes emiten grandes cantidades de radiación ultravioleta y partículas ionizadas. Los vientos estelares transportan hasta 10 mil millones de veces más material que el viento solar, a velocidades de miles de kilómetros por segundo.


Nebulosa Laguna - Una Galaxia Maravillosa
Nebulosa Laguna. Imagen: Equipo ESO / VPHAS +

7. ¿Cuál es el papel de la rotación y los campos magnéticos en las estrellas masivas?

Los planetas y las estrellas giran, las galaxias giran e incluso los cúmulos de galaxias conducen sus propios ballets celestes. Pero, ¿cómo gira el interior de las estrellas masivas? La ciencia actual apenas comienza a responder esa pregunta.

La primera medición de la rotación interna de una estrella que no sea el Sol se realizó en 2003, y fue para un objeto de menor masa. Además, aunque los astrónomos coinciden en que la rotación es un parámetro vital, nadie sabe exactamente cómo influye en el nacimiento y la evolución de las estrellas masivas.

Los campos magnéticos caen en la misma categoría. Aparecen en la Tierra, Júpiter, el Sol, los púlsares e incluso en el medio interestelar, y probablemente existan en estrellas masivas, pero incluir este parámetro en modelos estelares es complicado, y los primeros intentos se han hecho solo recientemente.


Vulpecula OB1 - Una Galaxia Maravillosa
Ubicada a 8,000 años luz de distancia en la constelación de Vulpecula (el Zorro), la región en la imagen se conoce como Vulpecula OB1, una "asociación estelar" en la que varias estrellas de tipo O y B (la más grande registrada) se unen. formando Imagen: Proyecto ESA / Herschel / PACS, SPIRE / Hi-GAL

8. ¿Cómo evolucionan las estrellas masivas?

En términos generales, una estrella masiva pasa su vida adulta como una estrella tipo O, emitiendo un viento estelar rápido y bastante denso. Cuando el combustible nuclear comienza a disminuir, la estrella evoluciona a una supergigante roja o una variable azul luminosa, dependiendo de su masa inicial.

Durante esta etapa, el viento estelar aumenta en densidad y disminuye dramáticamente en velocidad, a solo unos pocos kilómetros por segundo en comparación con miles de kilómetros por segundo.

Entonces la estrella se convierte en un Wolf-Rayet: la pérdida de masa disminuye, pero el viento aumenta. Las capas con elementos pesados ​​salen gradualmente a la superficie. Una estrella Wolf-Rayet se enriquece primero con nitrógeno (tipo WN), luego con carbono (tipo WC).

Este es el "escenario Conti", que puede parecer claro, pero muchos detalles siguen siendo vagos. El área más controvertida se refiere a la fase luminosa azul variable, sobre la que aún quedan muchas dudas.

R Aquarii - Una Galaxia Maravillosa
Sistema estelar binario llamado R Aquarii, ubicado a 700 años luz de la Tierra, como se vio en 2012 por el Very Large Telescope (VLT). Imagen: ESO

9. ¿Cómo evolucionan los binarios masivos?

Los binarios masivos evolucionan de formas aún más complejas que las estrellas individuales, porque los componentes interactúan a lo largo de sus vidas.

La presencia de una escolta afecta muchas propiedades estelares. Por ejemplo, un compañero masivo puede deformar una estrella para que ya no sea esférica. La presencia del vecino también cambia la rotación de cada estrella.

Incluso se producen fenómenos más complejos. En binarios masivos, los vientos estelares dobles chocan, generando una emisión intensa de rayos X y cambios en el espectro óptico del sistema. Los astrónomos apenas comienzan a estudiar estos efectos.

¿Qué pasa si uno de los socios muere repentinamente? ¿Puede el sistema sobrevivir a una explosión de supernova? Y si es así, ¿cómo evolucionaría un sistema binario compuesto por una estrella masiva normal y una estrella de neutrones o un agujero negro?

Los astrónomos han encontrado sistemas binarios compuestos por dos púlsares, por lo que sabemos que los binarios masivos pueden sobrevivir. Pero todavía queda un largo camino por recorrer antes de comprender cómo los sistemas logran este fin.

 
N 63A - Una Galaxia Maravillosa
Restos de gas y polvo de la supernova N 63A, parte de una región de formación estelar en la Gran Nube de Magallanes, una galaxia irregular a 160,000 años luz de la Vía Láctea. Imagen: Nasa / ESA / HEIC y The Hubble Heritage Team (STScI / Aura)
10. ¿Cómo mueren las estrellas masivas?

Si las estrellas similares al Sol mueren en silencio, las estrellas masivas terminan en cataclismo: una explosión de supernova anuncia la muerte de toda la galaxia y más allá.

Sin embargo, los astrónomos tienen dudas sobre este proceso. A pesar de años de esfuerzos de los teóricos, las simulaciones por computadora aún no pueden convertir de manera confiable el colapso de una estrella en su explosión.

Las explosiones de rayos gamma, las explosiones cósmicas más poderosas, plantean otra pregunta. Los astrónomos han demostrado que algunas de estas explosiones están relacionadas con la muerte de estrellas masivas. Pero nadie sabe cómo sucede o qué diferencia a una estrella que termina con una explosión de rayos gamma en lugar de una supernova.

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