El último ‘hurra’ de una estrella moribunda

Al final de sus vidas, las estrellas similares al Sol se metamorfosean en brillantes capas de gas, quizás formadas por compañeros invisibles.


La Nebulosa de la Mariposa, ubicada a poco menos de 4.000 años luz de la Tierra en la constelación de Scorpius, es un ejemplo sorprendente de una nebulosa planetaria, la etapa final en la evolución de una estrella de tamaño pequeño a mediano. Las «alas» diáfanas de la mariposa consisten en gas y polvo que han sido expulsados ​​de la estrella moribunda e iluminados desde dentro por el núcleo restante de la estrella. La forma simétrica de dos lóbulos de la nebulosa es un signo revelador de que una estrella compañera ayudó a dar forma a los gases que salían. Tanto la estrella principal como su compañera están ocultas por el manto de polvo en el centro de la nebulosa. CRÉDITO: NASA/ESA/HUBBLE.

Dentro de miles de millones de años, cuando nuestro Sol se acerque al final de su vida y los núcleos de helio comiencen a fusionarse en su núcleo, se hinchará dramáticamente y se convertirá en lo que se conoce como una estrella gigante roja. Después de tragarse a Mercurio, Venus y la Tierra sin apenas eructar, crecerá tanto que ya no podrá retener sus capas más externas de gas y polvo.

En un desenlace glorioso, expulsará estas capas al espacio para formar un hermoso velo de luz, que brillará como un letrero de neón durante miles de años antes de desvanecerse.

La galaxia está repleta de miles de estos monumentos con forma de joya, conocidos como nebulosas planetarias. Son la etapa final normal para las estrellas que van desde la mitad de la masa del Sol hasta ocho veces su masa. (Las estrellas más masivas tienen un final mucho más violento, una explosión llamada supernova). Las nebulosas planetarias vienen en una asombrosa variedad de formas, como lo sugieren nombres como el Cangrejo del Sur, el Ojo de Gato y la Mariposa. Pero a pesar de su belleza, también han sido un enigma para los astrónomos. ¿Cómo emerge una mariposa cósmica del capullo redondo aparentemente monótono de una estrella gigante roja? 

Las observaciones y los modelos informáticos ahora apuntan a una explicación que habría parecido descabellada hace 30 años: la mayoría de las gigantes rojas tienen una estrella compañera mucho más pequeña escondida en su abrazo gravitacional. Esta segunda estrella da forma a la transformación en una nebulosa planetaria, como un alfarero da forma a una vasija en un torno de alfarero.

El nuevo Telescopio Espacial James Webb de la NASA ha revelado detalles extraordinarios en la Nebulosa del Anillo Sur, una nebulosa planetaria que se encuentra a unos 2.500 años luz de distancia en la constelación de la Vela. A la izquierda, una imagen en el infrarrojo cercano muestra espectaculares capas concéntricas de gas, que relatan la historia de los estallidos de la estrella moribunda. A la derecha, una imagen del infrarrojo medio distingue fácilmente la estrella moribunda en el centro de la nebulosa (rojo) de su estrella compañera (azul). La estrella roja expulsó todo el gas y el polvo de la nebulosa.
CRÉDITO: NASA, ESA, CSA Y STSCI
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La teoría dominante de la formación de nebulosas planetarias involucraba previamente a una sola estrella: la propia gigante roja. Con solo un débil agarre gravitatorio en sus capas exteriores, arroja masa muy rápidamente cerca del final de su vida, perdiendo hasta un 1 por ciento por siglo. También se agita como una olla de agua hirviendo debajo de la superficie, lo que hace que las capas externas entren y salgan. Los astrónomos teorizaron que estas pulsaciones producen ondas de choque que lanzan gas y polvo al espacio, creando lo que se llama viento estelar. Sin embargo, se necesita una gran cantidad de energía para expulsar este material por completo sin que vuelva a caer en la estrella. No puede ser ningún céfiro manso, este viento; necesita tener la fuerza de la explosión de un cohete.

Después de que la capa exterior de la estrella ha escapado, la capa interior mucho más pequeña colapsa en una enana blanca. Esta estrella, que es más caliente y brillante que la gigante roja de la que proviene, ilumina y calienta el gas escapado, hasta que el gas comienza a brillar por sí mismo, y vemos una nebulosa planetaria. Todo el proceso es muy rápido según los estándares astronómicos, pero lento según los estándares humanos, y suele llevar de siglos a milenios. 

Hasta que se lanzó el telescopio espacial Hubble en 1990, «estábamos bastante seguros de que estábamos en el camino correcto» para comprender el proceso, dice Bruce Balick, Astrónomo de la Universidad de Washington. Luego, él y su colega Adam Frank, de la Universidad de Rochester en Nueva York, estaban en una conferencia en Austria y vieron las primeras fotos de nebulosas planetarias del Hubble. “Salimos a tomar café, vimos las fotos y supimos que el juego había cambiado”, dice Balick.

Los astrónomos habían asumido que las gigantes rojas eran esféricamente simétricas y que una estrella redonda debería producir una nebulosa planetaria redonda. Pero eso no es lo que vio el Hubble, ni siquiera cerca. «Se hizo evidente que muchas nebulosas planetarias tienen estructuras axisimétricas exóticas», dice Joel Kastner, Astrónomo del Instituto de Tecnología de Rochester. Hubble reveló fantásticos lóbulos, alas y otras estructuras que no eran redondas sino simétricas alrededor del eje principal de la nebulosa, como si giraran en un torno de alfarero.

En las primeras fotos de los observatorios terrestres, la Nebulosa del Cangrejo del Sur parecía tener cuatro «patas» curvas como un cangrejo. Pero las imágenes detalladas del telescopio espacial Hubble muestran que estas patas son los lados de dos burbujas que tienen aproximadamente la forma de un reloj de arena. En el centro de las burbujas hay dos chorros de gas, con «nudos» que pueden encenderse cuando se encuentran con el gas entre las estrellas. El Cangrejo del Sur, ubicado a varios miles de años luz de la Tierra en la constelación de Centaurus, parece haber tenido dos eventos de liberación de gas. Uno hace unos 5500 años creó el «reloj de arena» exterior, y un evento similar hace 2300 años creó el interior, mucho más pequeño.
CRÉDITO: ADAPTADO DE NASA, ESA Y A. FEILD (STSCI).

Un artículo de 2002 de Balick y Frank en la revista ‘Revisión Anual de Astronomía y Astrofísica‘  capturó  el debate en ese momento sobre el origen de estas estructuras. Algunos científicos propusieron que la simetría axial se derivaba de cómo rotaba la estrella gigante roja o cómo se comportaban sus campos magnéticos, pero ambas ideas fallaron en algunas pruebas fundamentales. Tanto la rotación como los campos magnéticos deberían debilitarse a medida que la estrella crece, pero la tasa de pérdida de masa de las gigantes rojas se acelera al final de su vida. 

La otra opción era que la mayoría de las nebulosas planetarias no están formadas por una estrella, sino por un par de estrellas, lo que Orsola De Marco, Astrónoma de la Universidad Macquarie en Sydney, denominó «hipótesis binaria«. En este escenario, la segunda estrella es mucho más pequeña y miles de veces más débil que la gigante roja, y podría estar tan lejos como Júpiter del Sol. Eso le permitiría interrumpir a la gigante roja mientras está lo suficientemente lejos como para no ser tragada. (También existen otras posibilidades, como una órbita de bombardeo en picada en la que la segunda estrella se acercaría a la gigante roja cada pocos cientos de años, desprendiendo capas de ella).

La hipótesis binaria explica muy bien la primera etapa de la metamorfosis de una estrella moribunda. A medida que la compañera extrae polvo y gases de la estrella primaria, no son absorbidos inmediatamente por la compañera, sino que forman un disco giratorio de material conocido como disco de acreción en el plano orbital de la compañera. Ese disco de acreción es la rueda del alfarero. Si el disco tiene un campo magnético, impulsará cualquier gas cargado fuera del plano del disco y hacia el eje de rotación. Pero incluso sin un campo magnético, el material del disco impide el flujo de gases hacia el exterior en el plano orbital, por lo que el gas adoptará una estructura bilobulada, con un flujo más rápido hacia los polos. Y eso es justo lo que vio el Hubble en sus imágenes de nebulosas planetarias. “¿Por qué buscar una explicación realmente complicada cuando una estrella compañera la explica muy bien?” dice DeMarco. 

Izquierda: La Nebulosa de los Chorros Gemelos, a 2.400 años luz de la Tierra en la constelación de Ofiuco, muestra una forma de reloj de arena, con dos chorros de gas que se mueven rápidamente y fluyen hacia el polo. El gas probablemente fue expulsado por la estrella central hace unos 1.200 años. Derecha: La Nebulosa Ojo de Gato, a 3.300 años luz de la Tierra en la constelación Draco, exhibe 11 anillos concéntricos de polvo, que los astrónomos estiman que fueron liberados a intervalos de 1.500 años. El proceso por el cual se formó la complicada estructura interna sigue siendo una incógnita. “El Ojo de Gato es raro. No sé si puedo explicarlo”, dice el astrónomo Adam Frank de la Universidad de Rochester.
CRÉDITOS: ESA/HUBBLE & NASA, AGRADECIMIENTOS: JUDY SCHMIDT (IZQUIERDA); NASA, ESA, HUBBLE LEGACY ARCHIVE, CHANDRA X-RAY OBS., PROCESAMIENTO Y DERECHOS DE AUTOR: RUDY POHL (DERECHA)
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Sin embargo, la idea de estrellas compañeras indetectables no sentó bien a algunos astrónomos. En 2020, escribe Leen Decin, Astrónoma de KU Leuven en Bélgica, un famoso astrofísico le dijo: «Sabes, Leen, todo se ve tan fantástico, las observaciones son tan fascinantes, los modelos actuales de vanguardia parecen hacer un trabajo bastante bueno para interpretar los datos, pero al final, ¿no deberíamos creer solo lo que realmente podemos ver?» 

Pero durante los últimos 10 a 15 años, la marea ha cambiado constantemente. Nuevos e innovadores telescopios han revelado que algunas gigantes rojas están rodeadas por estructuras espirales y discos de acreción  antes  de convertirse en nebulosas planetarias, tal como se esperaba si hubiera una segunda estrella extrayendo material de la gigante roja. En un par de casos, los astrónomos pueden incluso haber visto a la propia estrella compañera. 

Decin y sus colegas han confiado especialmente en el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en Chile, que entró en funcionamiento en 2011. ALMA consta de 66 radiotelescopios que trabajan juntos para producir imágenes de objetos astronómicos. “Nos brinda una alta resolución espacial y espectral que es importante si desea comprender la dinámica y la velocidad”, dice Decin. La velocidad es una parte importante del rompecabezas para que los científicos mapeen los vientos estelares y los discos de acreción.

ALMA, una serie de radiotelescopios en Chile, ha permitido a los astrónomos mapear los vientos estelares alrededor de las estrellas gigantes rojas antes de que lleguen al punto de formar una nebulosa planetaria. Los nombres de las estrellas se encuentran en la esquina superior izquierda de cada imagen. Los vientos que soplan hacia afuera desde las estrellas crean una variedad de estructuras, como discos, espirales y «rosas», que son consistentes con la teoría de que la estrella gigante roja tiene un compañero que la orbita. El rojo indica gases que se alejan del observador y el azul indica gases que se acercan al observador. 1 UA es una unidad astronómica, o la distancia de la Tierra al Sol. A modo de comparación, Neptuno está a 30 UA del Sol. Las estrellas compañeras probablemente estén más cerca que eso de sus estrellas primarias, y no son visibles debido al resplandor de la primaria.
Crédito: Adaptado de L. Decin / AR Astronomy and Astrophysics 2021.

ALMA ha visto estructuras en forma de espiral o de arco alrededor de más de una docena de estrellas gigantes rojas, casi con seguridad una señal de que materia se está desprendiendo de la gigante roja y girando en espiral hacia su compañera. Las espirales se asemejan mucho a las simulaciones por computadora  y son imposibles de explicar con el antiguo modelo de viento estelar. Decin informó los hallazgos iniciales en 2020 en  Science  y los amplió al año siguiente en la Revisión Anual de Astronomía y Astrofísica. 

Además, el grupo de Decin pudo haber visto a los compañeros previamente indetectables de dos gigantes rojas, p1 Gruis y L2 Puppis, en imágenes de ALMA. Para asegurarse, necesita monitorearlos durante un período de tiempo para ver si los objetos recién detectados se mueven alrededor de la estrella principal. “Si se mueven, estoy segura de que tenemos compañeros”, dice Decin. Quizás este descubrimiento convenza a los últimos escépticos. 

Al igual que los investigadores de la escena del crimen, los astrónomos ahora tienen instantáneas de «antes» y «después» de la creación de una nebulosa planetaria. Lo único que les falta es el equivalente a las imágenes de CCTV (cámaras de TV en circuito cerrado) del evento en sí. ¿Hay alguna esperanza de que los astrónomos puedan atrapar a una gigante roja en el acto de convertirse en una nebulosa planetaria? 

Hasta ahora, los modelos informáticos son la única forma de «observar» el proceso de siglos de duración de principio a fin. Han ayudado a los astrónomos a concentrarse en un escenario dramático, en el que la estrella compañera se sumerge en la primaria después de un período prolongado de orbitarla y perder distancia debido a las fuerzas de marea. A medida que gira en espiral hacia el núcleo de la gigante roja, la compañera arroja «una cantidad increíble de energía gravitacional», dice Frank. Los modelos informáticos muestran que esto acelera enormemente el proceso a través del cual la  estrella se desprende de sus capas exteriores, de uno a diez años. Si esto es correcto, y si los astrónomos supieran dónde mirar, podrían presenciar la muerte de una estrella y el nacimiento de una nebulosa planetaria en tiempo real.

Ver animación. Una simulación hidrodinámica de una pequeña estrella compañera (punto blanco) que orbita una estrella gigante roja (círculo blanco) muestra que el viento estelar saliente forma una espiral, de acuerdo con lo que se ha visto en las imágenes del telescopio ALMA.
CRÉDITO:
L. DECIN / AR ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA 2021

Un candidato a vigilar se llama V Hydrae. Esta estrella gigante roja muy activa expulsa grumos de plasma en forma de bala hacia sus polos cada 8,5 años, y también ha tosido seis grandes anillos en su plano ecuatorial durante los últimos 2.100 años. Raghvendra Sahai, Astrónomo del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA que publicó el descubrimiento de los anillos en Abril, cree que la  gigante roja no tiene una, sino dos estrellas compañeras. Es posible que una compañera cercana ya esté rozando la envoltura de la gigante roja y produciendo las eyecciones de plasma, mientras que una compañera distante en una órbita de bombardeo en picado controla la eyección de los anillos. Si es así, V Hydrae puede estar cerca de tragarse a su compañera más cercana. 

Finalmente, ¿qué pasa con nuestro Sol? Puede parecer que los estudios de estrellas binarias tienen poca relevancia para el destino de nuestra estrella, porque es un singleton. Las estrellas con compañeras pierden masa de seis a 10 veces más rápido que las que no las tienen, estima Decin, porque es mucho más eficiente para una estrella compañera arrancar el caparazón de una gigante roja que para la gigante roja empujar su propia caparazón.

Esto significa que los datos sobre estrellas con compañeras no pueden predecir de forma fiable el destino de las estrellas sin compañeras, como el Sol. Aproximadamente la mitad de las estrellas que son del tamaño del Sol tienen compañeras de algún tipo. Según Decin, la compañera siempre afectará la forma del viento estelar y afectará significativamente la tasa de pérdida de masa si la compañera está lo suficientemente cerca. Lo más probable es que el Sol expulse su capa exterior más lentamente que esas estrellas y permanezca en su fase de gigante roja varias veces más tiempo.

Pero todavía se desconoce mucho sobre el último acto del Sol. Por ejemplo, aunque Júpiter no es una estrella, podría ser lo suficientemente grande como para atraer material del Sol y encender un disco de acreción. “Creo que tendremos una espiral muy pequeña creada por Júpiter”, dice Decin. «Incluso en nuestras simulaciones, puedes ver su impacto en el viento solar». Si es así, entonces nuestro Sol también podría estar en línea para un gran final llamativo.

Fuente: Knowable Magazine.

Artículo original:A dying star’s last hurrah‘. Dana Mackenzie. Julio 14, 2022.

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