Supernovas, protoestrellas, las distancias del Universo

Protoestrellas

Son los embriones de soles, las auténticas “fábricas” de estrellas del universo. Bolas de gas, toscas e informes, forjadas en las zonas más densas y frías de las nebulosas. Las protoestrellas son frías y muy pálidas: todavía no han alcanzado las presiones y temperaturas internas necesarias como para encenderse. Sus hornos termonucleares aún no están lo suficientemente maduros como para iniciar la fusión del hidrógeno en helio, la clave y sustento de toda estrella que se precie de tal. En consecuencia, las protoestrellas no emiten luz visible. Son demasiado frías para eso. Apenas brillan con un muy débil resplandor infrarrojo, producto del calor producido por su mera contracción gravitatoria. Y a eso hay que sumarle el hecho de que se encuentran “escondidas” tras gruesos mantos de gas y polvo. En suma: las protoestrellas son astros extremadamente difíciles de observar. A punto tal que sólo estaban al alcance de instrumentos muy específicos: telescopios infrarrojos y radiotelescopios. Y hasta por ahí nomás. Recientemente, un grupo de astrónomos, trabajando, justamente, con el mejor telescopio infrarrojo que jamás haya existido, logró sacar a la luz –infrarroja– un puñado de protoestrellas. Ni más ni menos que las más jóvenes jamás observadas. Un hito científico que bien merece ser contado. Por lo curioso, por lo trascendente y por sus implicancias.

Un blanco fugaz y difÍcil

Todas las estrellas –grandes, medianas y chicas– se forman en el interior de las nebulosas (inmensas masas de gas y polvo que pueden medir cientos o miles de años luz de diámetro). Y más específicamente, en las llamadas “nubes moleculares”, regiones especialmente frías y densas, que, como su nombre lo indica, permiten la presencia de hidrógeno molecular (H2). Las especiales condiciones de densidad y (baja) temperatura de las nubes moleculares son las que permiten y facilitan la formación y aglutinamiento de nódulos de gas y polvo que, gravedad mediante, darán lugar a futuras estrellas. Pero, lógicamente, entre esos nódulos fríos y crudos, y las fabulosas bolas de plasma súper caliente a las que llamamos “estrellas”, hay un necesario paso intermedio: las protoestrellas.

Según los modelos astrofísicos actuales, esa crucial etapa de transición es relativamente corta, al menos en términos estelares: duraría apenas unos cientos de miles de años. Esa breve ventana temporal, sumada a la dificultad observacional antes mencionada, hace de las protoestrellas un blanco astronómico extremadamente difícil. Incluso para los instrumentos más sofisticados de la actualidad: en estos últimos años, el Telescopio Espacial Spitzer (NASA) –un formidable observatorio infrarrojo que ya lleva diez años de exitoso funcionamiento– logró fotografiar algunas protoestrellas, exprimiendo al máximo su potencial. Sin embargo, se trataba de ejemplares bastante “maduros”: más calientes y más fáciles de detectar que las más jóvenes. La novedad que hoy nos ocupa proviene de una versión ampliada y mejorada del Spitzer: el Observatorio Espacial Herschel, un telescopio insignia de la Agencia Espacial Europea (ESA), lanzado al espacio en mayo de 2009 (y que lleva el nombre de uno de los astrónomos más grandes de todos los tiempos: William Herschel, descubridor de Urano, en 1781). Hace apenas unas semanas, la ESA dio por concluida la rica campaña científica del Herschel, al agotarse sus vitales reservas de helio líquido que, durante cuatro años, le permitieron mantener a sus súper sensibles instrumentos infrarrojos a la impresionante temperatura de 271ºC bajo cero (apenas dos grados por encima del “cero absoluto”). Justamente: para “mirar” en el “lejano infrarrojo” –más allá, incluso que el Spitzer– el Herschel debía estar ultrafrío. Esa extrema sensibilidad infrarroja, potenciada por la gran capacidad colectora de luz de su enorme espejo de 3,5 metros (mucho más grande que el del Spitzer), le permitió detectar la escuálida luz (infrarroja) de las protoestrellas más jóvenes jamás descubiertas.

Programa HOPS: una profunda mirada a Orión

La Gran Nebulosa de Orión (también conocida como M 42) es uno de los máximos iconos de la astronomía, tanto profesional como amateur. Situada a unos 1600 años luz del Sistema Solar, es la nebulosa más brillante de todo el cielo, a punto tal que se ve maravillosamente bien con unos simples binoculares, a unos pocos grados de las famosas Tres Marías. Pero, además, es el epicentro de una enorme región nebular conocida como “Complejo de la Nube Molecular de Orión”, que incluye muchos otros parches de gas y polvo, y notables cúmulos estelares allí forjados. En pocas palabras: es la “fábrica” de estrellas más próxima a nosotros. Y por eso mismo, la zona es un blanco recurrente para los astrónomos, incluyendo al equipo internacional del Herschel Orion Protostar Survey (HOPS), un ambicioso programa de investigación encabezado por científicos de la Universidad de Toledo (Ohio, Estados Unidos) y el Instituto Max Planck de Radioastronomía (Heidelberg, Alemania), con la colaboración de Onsala Space Observatory, en Suecia, y el mismísimo Observatorio Europeo Austral (ESO), que tiene varios de los mejores complejos astronómicos del mundo, en el norte de Chile.

Hallazgos en el infrarrojo lejano

Desde hace años, el HOPS viene estudiando en detalle la región de Orión con distintos instrumentos, y en distintas longitudes de onda, con el objetivo de seguir la evolución de las estrellas, desde su infancia hasta su madurez. Pero la gran novedad llegó en los últimos meses, cuando los científicos del HOPS se pusieron a examinar las finas imágenes infrarrojas tomadas con el Observatorio Espacial Herschel, y las compararon con otras tomadas del Spitzer: “En una de las imágenes del Herschel había una protoestrella, pero también había otro objeto justo a su lado”, cuenta el astrónomo Tom Megeath (Universidad de Toledo), quien encabeza el HOPS. Y agrega: “Ese segundo objeto no aparecía en las imágenes de menor longitud de onda del Spitzer”. Y lo mismo ocurrió con otros diez objetos de características similares: eran invisibles (o casi) para el Spitzer, pero perfectamente observables con el Herschel. En números concretos: mientras que los instrumentos acoplados al telescopio de la NASA tienen un rango de detección de entre 3 y 24 micrones, los del telescopio de la ESA fueron más allá, captando longitudes de onda de 55 a 670 micrones, es decir, ya en el llamado “infrarrojo lejano”. Un rango que no sólo permite ver objetos más fríos, sino también traspasar las gruesas cortinas de gas y polvo que bloquean longitudes de onda más cortas (incluyendo la luz visible, por supuesto). Así, el programa HOPS rescató a once protoestrellas del nebuloso reino de Orión. Once promesas de nuevos soles. Y cuatro de esas promesas aparecen en esta foto de la nebulosa M 78 (ver cuadrito).

Perfil protoestelar

Para despejar dudas, los científicos del HOPS recurrieron a imágenes de radio (de 870 micrones) tomadas con el radiotelescopio europeo APEX (por Atacama Pathfinder Experiment), en Chile. Y efectivamente, allí estaban las once protoestrellas. “El telescopio Herschel nos ha revelado las más jóvenes, frías y densas protoestrellas en Orión, algo que se les había perdido a los estudios previos”, dice la doctora Amelia Stutz (Instituto de Astronomía Max Planck), autora principal del paper recientemente publicado en el prestigioso The Astrophysical Journal. “Con estos resultados, estamos cada vez más cerca de ser testigos del momento en que una estrella comienza a formarse y, también, de conocer en detalle cuáles son los procesos y las condiciones físicas iniciales”, dice la astrónoma.

Ahora bien: ¿cómo son y, lo más importante, cuán jóvenes son las protagonistas de este notable descubrimiento? A partir de distintos análisis (incluyendo la luminosidad de estos objetos, y el conteo de estrellas vecinas), Stutz y sus colegas estiman que estas once protoestrellas descubiertas con el Observatorio Espacial Herschel, más otras siete previamente detectadas con el Spitzer (y luego absolutamente confirmadas con el telescopio de la ESA), tienen entre un quinto y el doble de la masa del Sol. Y han “calentado” –por decirlo de algún modo– a los capuchones de gas y polvo que las rodean a temperaturas de apenas 20 grados Kelvin (unos -250C). En cuanto a sus edades, Stutz estima que tendrían unos 25 mil años. Apenas un parpadeo en la vida de las estrellas (que viven miles de millones de años). Técnicamente, estos objetos crudos, en las primerísimas etapas de evolución, son clasificados como “Clase 0”. Embriones estelares. Alguna vez, hace unos 4600 millones de años, el Sol fue algo así.

El Observatorio Espacial Herschel ya no funciona. Y ha quedado a la deriva en órbita solar. Sin embargo, en sus cuatro años de operaciones nos ha dejado un legado científico extraordinario: más de 35 observaciones individuales del “universo infrarrojo”, abarcando unos 600 programas de investigación astronómica (que incluyeron desde nebulosas de la Vía Láctea, hasta observaciones de sondeo cosmológico). Y sin dudas, uno de sus hitos mayúsculos ha sido la detección de este puñado de protoestrellas, hundidas en las pesadas brumas de gas y polvo de Orión. Ya nos estamos asomando a la gestación misma de los soles. A esas primerísimas etapas que anteceden, incluso, al encendido de sus sagrados fuegos termonucleares. Es verdaderamente impresionante.

 Por Mariano Ribas

   

Supernovas, los elementos y las distancias del Universo

Objetos privilegiados de la astrofísica, las supernovas son fundamentales en el estudio del Big Bang y de las galaxias. Además, las supernovas termonucleares son los mejores objetos para medir distancias cosmológicas y la aceleración de la expansión del Universo.

–¿Quiere presentarse?

–Soy astrónoma, estudié en la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas de la Universidad Nacional de La Plata. Mi tesis de licenciatura fue focalizada en física teórica, en temas relacionados con la teoría de cuerdas y la física de partículas. Hice el doctorado en Astronomía en la Universidad de Chile. Y hoy soy investigadora posdoctoral en el Instituto Kavli de Física y Matemática del Universo, Universidad de Tokio, en Japón.

–Y está pensando en volver al país…

–Así es. En junio me presenté a la carrera de investigación del Conicet desde el extranjero. La respuesta la voy a saber a fin de año. Pienso que en este momento tenemos excelentes condiciones para desarrollar la ciencia en la Argentina, con organismos activos como el Conicet, con un enorme potencial en recursos humanos que no es fácil de conseguir en otras partes del mundo, y que incorpora científicos jóvenes y repatría a los que se han ido del país para realizar investigaciones de alto nivel.

–Usted se dedica a la astrofísica de las supernovas. ¿Por qué nos interesan las supernovas?

–Creo que toda persona alguna vez ha levantado la cabeza y ha querido saber por qué está acá y qué hay allá arriba. Después viene el interés por las supernovas. Las condiciones físicas que se producen allí son únicas. Son los únicos objetos astronómicos que producen esas condiciones, porque por ejemplo, los agujeros negros también producen condiciones físicas interesantes, pero no podemos observarlos directamente. Las supernovas están totalmente relacionadas con la evolución química y energética de las galaxias, porque al explotar inyectan una cantidad enorme de energía en la galaxia y se presume, aunque no está totalmente confirmado, que eso puede disparar la formación estelar. Además, produce los elementos químicos más pesados y los esparce en el medio interestelar. Sin las supernovas no se podría entender la composición actual del medio interestelar.

–El hidrógeno, el helio y el litio son los tres elementos que se generaron en el Big Bang…

–Y todo el resto de los elementos se generan en el núcleo de las estrellas, y las supernovas son las encargadas de esparcirlos. Si uno quiere saber cómo evolucionaron químicamente una galaxia y el universo, necesita entender cómo funciona una supernova. Las supernovas en sí mismas son objetos muy interesantes.

–¿Por qué?

–Porque se pueden aplicar muchísimas leyes de la física fundamental. Las condiciones que tiene una supernova son muy similares, por ejemplo, en lo que tiene que ver con la presión y la temperatura a las que se generaron durante el Big Bang. Las supernovas son fundamentales para entender la nucleosíntesis del universo. Además, están estrechamente relacionadas con otros objetos de gran interés astrofísico: los pulsares, las estrellas de neutrones y los agujeros negros de masa estelar, no los supermasivos que existen en el núcleo de las galaxias, ya que éstos son el remanente de una explosión de supernova.

–Aclaremos que las supernovas son el estallido de una estrella masiva.

–En realidad, existen diferentes tipos de supernovas. A grandes rasgos es posible dividirlas en dos: las que provienen de la explosión de estrellas masivas que llamamos “supernovas de colapso gravitatorio”, y las que provienen de estrellas de menor masa, pero que forman parte de un sistema binario donde una de las estrellas es una enana blanca que recibe materia de su estrella compañera y explota por otro mecanismo. A éstas se las denomina “supernovas termonucleares” o de tipo Ia. Las supernovas que yo estudio son las de colapso gravitatorio, es decir, las que representan el final de la evolución de estrellas masivas, que cuentan con una masa mayor que unas ocho veces la del Sol. Estrellas que son de menor masa no van a explotar, se supone que van a morir como enanas blancas. Pero de las estrellas que tienen más masa se espera que exploten, aun si no son parte de un sistema binario. Y en ese momento se las observa en el cielo como un objeto muchísimo más brillante que una estrella, que puede brillar por un mes con un brillo similar al de una galaxia.

–¿Por qué son interesantes para estudiarlas?

–Además de que son importantes para entender la nucleosíntesis del universo, son objetos ideales para las mediciones de distancias cosmológicas. La medición de distancias en el universo es uno de los problemas más difíciles de la astronomía y las supernovas de tipo Ia son los mejores patrones lumínicos que existen a grandes distancias. Esto es por así por dos razones: porque son muy brillantes y es posible observarlas a grandes distancias y porque es posible estandarizar el brillo intrínseco del objeto. Es decir, conocemos la energía que emite el objeto por unidad de tiempo. Luego, si lo vemos más débil es porque está más lejos. La característica temporal de estos objetos es también una ventaja, ya que son objetos que pueden verse por un tiempo y establecer un evento temporal. Aparecen y desaparecen después de meses. A partir de las condiciones que se dan, en su interior, se van produciendo los diferentes elementos químicos de los cuales estamos hechos nosotros. Las estrellas, en principio, brillan porque se está produciendo fusión y liberan energía, pero cuánta fusión de diferentes elementos se puede hacer, va a depender de la masa inicial que tenga la estrella.

–¿Por ejemplo?

–Una estrella como el sol, a una determinada fase, no puede seguir quemando determinados elementos, pero cuanto más masiva sea más presión y temperatura va a tener y más posibilidades tiene de seguir creando los elementos químicos de la tabla periódica, hasta el hierro. Ahí, cuando el hierro ya no puede seguir produciendo energía por este proceso, el objeto tiende a colapsar, se hace muy denso y llega a condiciones extremas, muy extremas, de física extrema, de física que se estudia en el Big Bang.

–¿Cuántas supernovas por año estallan en una galaxia común?

–Eso depende del tipo de galaxia. Se espera más o menos una supernova por siglo en una galaxia dada. Pero como los astrónomos observan muchas galaxias cotidianamente, en un año se descubren cientos de supernovas, en cientos de galaxias distintas.

–Pero, ¿por qué no se observa una supernova por siglo en nuestra galaxia?

–La última supernova galáctica que fue observada es la que sucedió en 1604, conocida como la supernova de Kepler, observada por Kepler y Galileo, entre otros. Se suele adjudicar la no observación frecuente de supernovas galácticas a que nos encontramos inmersos en el disco denso de la galaxia misma y, por eso, puede suceder que no veamos las supernovas que explotan “del otro lado”, más allá del núcleo galáctico, que quedarían ocultas. La estrella más cercana que se supone que va a explotar es Betelgeuse, que es la más brillante de la constelación de Orión (donde están también Las Tres Marías) y creo que es el hombro derecho de Orión. Es una estrella bastante roja que puede verse a simple vista. A partir de las propiedades que tiene hoy Betelgeuse, nosotros hicimos unos cálculos de cómo se observaría su explosión desde la Tierra y del posible efecto nocivo sobre el planeta y los seres vivos. Según estos cálculos, la supernova podría verse durante el día por aproximadamente un año y llegaría en su máximo esplendor a tener un brillo comparable al de la Luna llena.

–Hay varios tipos de supernovas. Una es la supernova de una estrella, que colapsa y por alguna razón explota…

–Así es. Una es la explosión de una estrella masiva aislada que proviene del colapso de su núcleo cuando ya no puede producir más energía. La segunda posibilidad es la supernova que proviene de una estrella de baja masa que forma parte de un sistema binario. En este último caso, se trata de una estrella enana blanca que, si tiene una compañera que le transfiere materia, entonces se torna inestable y se desata una explosión termonuclear. Ese tipo de supernovas, conocidas como supernovas de tipo Ia, son consideradas las más importantes para la cosmología, porque son sistemas muy homogéneos. Es decir, de una enana blanca sabemos qué masa tiene, qué radio tiene y eso hace que la forma de explotar, su emisión de luz en función del tiempo, sea muy estándar. Es una standard candle o patrón lumínico. Sabemos el brillo intrínseco que tiene que tener este tipo de supernovas, entonces al saber eso, si la vemos más débil es porque debe estar más lejos, lo cual permite calcular distancias. Son, de hecho, los mejores objetos que se conocen para medir distancias a escalas cosmológicas. Y justamente con ellas es que se descubrió la aceleración de la expansión del universo, lo que llevó a la propuesta de una nueva forma desconocida de energía, la “energía oscura”. Todo esto condujo a una revolución en nuestra cosmovisión y posiblemente en la física fundamental.

–El descubrimiento de la aceleración del universo fue Premio Nobel en Física hace unos años…

–Así es, en 2011. Se lo dieron a tres científicos, dos norteamericanos y un australiano. La revolución que significó conocer la aceleración del universo se descubrió con supernovas. Al ser éstos patrones lumínicos ideales, se dieron cuenta de que la ley que seguía no era la ley que se esperaba para algo que estuviera expandiéndose de manera constante, y descubrieron que se estaba acelerando.

 Por Leonardo Moledo

DIALOGO CON MELINA BERSTEN, ASTRONOMA E INVESTIGADORA DEL INSTITUTO KAVLI DE FISICA Y MATEMATICA DEL UNIVERSO, UNIVERSIDAD DE TOKIO

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