Las raras estrellas 'Molinete' son un hermoso rompecabezas astronómico

May 23, 2024

La clase condenada de estrellas llamada Wolf-Rayets produce misteriosas formas de molinete

Los astrónomos tienden a agotar los superlativos cuando hablan de las estrellas ferozmente calientes y luminosas conocidas como Wolf-Rayets, que se encuentran entre las estrellas más grandes, calientes y raras del universo. Se cree que Wolf-Rayets es la etapa final y fugaz en la vida de las estrellas más masivas, aquellas que comienzan su vida con entre 20 y más de 200 veces la masa del sol. Estos pesos pesados ​​son azules e increíblemente luminosos, y queman rápidamente vastas reservas de combustible de hidrógeno con un abandono vivo y joven. A medida que se queman, expulsan enormes cantidades de masa en vientos densos y rápidos que fluyen a velocidades asombrosas. Cuando se les acaba este combustible, estas estrellas colapsan bajo su propia gravedad en los eventos catastróficos que observamos como supernovas.

Su naturaleza extrema los marca como parias celestiales que se agrupan en los límites del mapa fundamental de la astronomía, el diagrama de Hertzsprung-Russell, que mapea las estrellas según su brillo y temperatura. Wolf-Rayets se elevan por encima y más allá de la "secuencia principal" del diagrama, donde se congregan las estrellas ordinarias. Son monstruos hinchados con temperaturas superficiales que pueden superar los 200.000 kelvin (30 veces más calientes que el sol) y campos de radiación que pueden eclipsar al sol en factores de más de un millón.

El rasgo definitorio de una estrella Wolf-Rayet (una baja abundancia de hidrógeno) resulta ser un presagio de fatalidad. Después de que una estrella agota su hidrógeno, comenzará a quemar otros combustibles, como el helio, pero esto le otorga a la estrella sólo una modesta suspensión de la ejecución. La vida de Wolf-Rayet se mide en millones de años y, a veces, en mucho menos. Esto es un abrir y cerrar de ojos en comparación con los 10 mil millones de años de vida de nuestro sol. Y como las estrellas masivas ya son excepciones entre los tipos de estrellas, las Wolf-Rayets son doblemente raras: son literalmente una estrella entre mil millones. Aunque su brillo hace que sean fáciles de encontrar con telescopios, sólo conocemos unos pocos cientos de ellos en toda nuestra galaxia.

A pesar de su rareza, estas enigmáticas estrellas tienen una historia de entrelazamiento con las cuestiones astronómicas más apremiantes del momento. A medida que llegan más observaciones de ellos desde poderosas instalaciones como el Telescopio Espacial James Webb, esta tendencia se repite. Recientemente, Wolf-Rayets nos ha planteado nuevas preguntas sobre la física que las impulsa, que pueden ayudar a resolver grandes misterios sobre la naturaleza y el destino de las estrellas.

En 1876, cuando los astrónomos franceses Charles Wolf y Georges Rayet resolvieron por primera vez tres estrellas de la constelación de Cygnus, la ciencia de la espectroscopia (estudiar objetos astronómicos difundiendo su luz en los colores que los constituyen) estaba en su infancia. Aún así, Wolf y Rayet habían visto suficientes estrellas normales para saber que algo profundamente extraño estaba sucediendo. Las estrellas ordinarias como el Sol tienen espectros que consisten en luz de toda la gama de colores visibles, impresos con una dispersión de líneas oscuras finas y estrechas que representan longitudes de onda absorbidas por los elementos químicos de las estrellas. Las nuevas estrellas en Cygnus parecían ser algo completamente distinto: mostraban bandas vibrantes de colores brillantes "que recordaban más a las nebulosas", escribieron los astrónomos, lo que les llevó a especular que estas estrellas podrían "deber principalmente su brillo a los vapores incandescentes".

Durante las décadas siguientes, los astrónomos empezaron a comprender mejor los espectros de la mayoría de los tipos estelares, pero Wolf-Rayets todavía languidecía como una rareza incomprensible. En ocasiones atraparon a científicos como Ralph Copeland. En 1884 realizó una expedición a las orillas del lago Titicaca, a gran altura, en Perú, con equipo astronómico transportado en una recua de mulas. Allí se topó con la estrella γ Argus (“gamma Argus”, ahora conocida como γ Velorum), cuya “línea intensamente brillante en azul y el magnífico grupo de tres líneas brillantes en amarillo y naranja hacen que su espectro sea incomparablemente el más brillante y impactando en todos los cielos”. Copeland quedó enganchado: "La extraordinaria belleza de este espectro... me llevó a dedicar una parte considerable de mi tiempo a barridos más o menos sistemáticos de la vecindad de la Vía Láctea". Finalmente consiguió otras cinco estrellas similares. Aunque ninguno fue tan espectacular como γ Velorum, este esfuerzo duplicó con creces el catálogo de Wolf-Rayets conocidos.

Durante medio siglo, el fenómeno Wolf-Rayet siguió siendo “una puerta aún sin abrir y con una llave tan curiosa que ni siquiera sabemos cómo introducirla en la cerradura”, como escribió en 1929 el astrónomo estadounidense Donald H. Menzel. Pero durante el Durante la década de 1930, diversos estudios dieron como resultado una comprensión gradual de la física detrás de las estrellas. El comentario de Wolf y Rayet sobre los “vapores incandescentes” estuvo en el camino correcto desde el principio, pero los astrónomos se habían mostrado reacios a aumentar las condiciones físicas a los niveles alucinantes requeridos.

Las abrasadoras temperaturas en Wolf-Rayets alimentan un campo de radiación en la superficie de las estrellas tan poderoso que la propia luz se convierte en una fuerza a tener en cuenta. Existe un límite superior fundamental para la luminosidad de cualquier objeto celeste más allá del cual “la radiación que se observa emitida... haría estallar la estrella”, escribió Arthur Eddington en un influyente artículo de 1926. Resulta que Wolf-Rayets son tan luminosas que coquetean con este “límite de Eddington”, provocando que sus capas superficiales sean continuamente alejadas por el resplandor incandescente de las estrellas. La llave que abrió la puerta de Menzel resultó ser este fuerte viento estelar, que soplaba a varios miles de kilómetros por segundo, alrededor del 1 por ciento de la velocidad de la luz. A veces se utiliza la frase “huracán solar”, pero esta comparación con el viento solar de nuestro sol no le hace justicia ni remotamente. Imagínese el más ligero soplo de aire perceptible en un día tranquilo en comparación con la fuerza de un potente cañón de agua. La divergencia entre el viento solar de nuestro Sol y el de un Wolf-Rayet supera esa relación en un factor de más de 10.000.

Incluso un pequeño puñado de estos triunfadores puede impactar profundamente el ecosistema de una galaxia entera. Los vientos transportan energía, impulso y elementos recién forjados hacia los vacíos entre las estrellas, soplando burbujas, comprimiendo nubes y calentando gas. La contribución más importante al equilibrio galáctico de las estrellas Wolf-Rayet es la menos esperada: el polvo de estrellas. El polvo (pequeños copos de materia estelar) desempeña todo tipo de funciones cruciales en el gran ciclo de la materia en la galaxia, quizás sobre todo protegiendo y enfriando el gas en su totalidad, permitiéndole condensarse para formar nuevas generaciones de estrellas. Sin embargo, los astrónomos han luchado por explicar todo el polvo que ven. En astronomía, el polvo es un poco como la nieve: abundante en condiciones de calma y climas frescos. El último lugar donde se puede esperar la creación de polvo es algún lugar bañado por la intensa y caliente radiación ultravioleta que rodea a un Wolf-Rayet.

El enigma de cómo se forman copos de nieve en el infierno se resolvió sólo con el descubrimiento del milagroso sistema llamado WR 140. En la década de 1980, un equipo dirigido por Peredur Williams del Observatorio Real de Edimburgo descubrió que el polvo producido por esta estrella llegaba en pulsos espaciados ocho años. aparte. El descubrimiento relacionó inmediatamente la creación de polvo con el período de ocho años de una compañera binaria que coorbitaba con Wolf-Rayet. Esta compañera era otra estrella azul luminosa en una órbita elíptica. Los astrónomos se dieron cuenta de que en este sistema binario se forma polvo cuando el par se acerca más. Cuando el viento del Wolf-Rayet choca y enreda al viento del enorme compañero, los dos luchan entre sí hasta detenerse. Aquí las condiciones frescas y tranquilas son ideales para que el polvo se condense del gas. Este mecanismo de polvo de viento en colisión requiere que ambas estrellas lancen vientos poderosos, una condición que se puede cumplir porque las estrellas masivas a menudo se forman junto con compañeras igualmente masivas.

A diferencia de WR 140, muchos otros Wolf-Rayets expulsan polvo continuamente, aparentemente sin tener en cuenta el momento de su órbita. Descubrir por qué y si los generadores continuos de polvo funcionan de manera diferente a la variedad mecánica de polvo creado en cada órbita se convirtió en una pregunta clave para mi propia investigación.

A mediados de la década de 1990 yo trabajaba en el grupo del premio Nobel Charles H. Townes en California con el entonces estudiante John D. Monnier. Los gigantescos telescopios Keck en Hawaii acababan de abrir sus puertas. Sin embargo, para comprender la formación de polvo de Wolf-Rayet necesitábamos imágenes nítidas que revelaran un nivel de detalle que estaba más allá de la capacidad incluso de los enormes espejos de 10 metros de Keck. Hoy en día podríamos simplemente activar un sistema de óptica adaptativa, actualmente un equipo estándar que contrarresta el brillo de la atmósfera terrestre. Pero en la década de 1990 la tecnología capaz de obtener imágenes de nuestras estrellas Wolf-Rayet tardaba decenas de años y muchos millones de dólares en el futuro.

Siendo la necesidad la madre de la invención, no teníamos otra opción que pensar lateralmente. Aseguramos una gran máscara de metal, del tamaño de la tapa de un bote de basura con agujeros perforados cuidadosamente dispuestos, a uno de los telescopios Keck. Al bloquear gran parte de la luz de las estrellas, transformamos el espejo primario en una serie de pequeños colectores, lo que permitió a Keck funcionar de manera muy similar a los radiotelescopios modernos que conectan muchas antenas más pequeñas. Los avances en la fidelidad de la imagen superaron nuestros sueños más locos. Toda la actuación requirió subir al telescopio para cambiar las máscaras en la noche mientras estaba encaramado a 15 metros sobre el piso del observatorio, algo que me sorprenderá eternamente de que alguna vez nos dejen salirnos con la nuestra.

Formar imágenes utilizando esta técnica requirió un procesamiento informático significativo, además de una gran cantidad de código personalizado. Cuando vimos por primera vez en un monitor de computadora nuestro objetivo más importante de Wolf-Rayet, una estrella designada WR 104, era una espiral reluciente que parecía una bola de Navidad extrañamente distorsionada. Miré a John y gemí: “Nunca he oído hablar de ninguna estrella con forma de espiral. ¿Cómo conseguimos un error en el código que produjera ese tipo de error? Volvimos atrás y mejoramos el código, pero la espiral se quedó quieta. No fue hasta unos meses más tarde, cuando los datos de una segunda visita al telescopio Keck produjeron otra espiral, que aceptamos la realidad. La nueva imagen tenía casi la misma forma de espiral que antes, pero girada unos 90 grados. La espiral era real y, además, teníamos un objetivo en movimiento entre nuestras manos.

En retrospectiva, ahora entiendo que una espiral es exactamente lo que deberíamos haber estado buscando todo el tiempo. Lo que nos confundió fue que el polvo necesita gas denso y frío para formarse. Un Wolf-Rayet sólo puede cumplir una de estas condiciones en un lugar determinado: cerca de la estrella el gas es denso pero caliente, mientras que lejos es frío pero demasiado tenue. Aquí es donde entra en juego el par binario. Cuando los vientos de las dos estrellas chocan, el gas se comprime lo suficientemente lejos de las estrellas como para mantenerse frío, condiciones que conducen a un "vivero de polvo". Los granos de polvo se condensan a partir del gas a lo largo de una “cáscara” en forma de cuenco donde chocan los vientos. A medida que las estrellas orbitan y sus vientos en expansión se extienden hacia afuera, el polvo forma espirales como el chorro de un aspersor de césped.

El resultado de toda esta física se manifiesta como una majestuosa columna en espiral. Sin embargo, para el ojo de un astrofísico, la belleza es más profunda. Estas estructuras abren una rara ventana a fenómenos que de otro modo nunca podríamos esperar presenciar. Es como si la naturaleza escribiera sus secretos en una escritura demasiado pequeña para verla, pero luego el viento en expansión infla el texto hasta convertirlo en una pancarta gigante. Aquí estaban las propiedades de los vientos, las estrellas que los lanzaban y los parámetros de su danza orbital, expuestos para que los leyéramos. WR 104 se convirtió en el prototipo de una nueva clase de nebulosas que bautizamos “molinetes”. Pronto encontramos más sistemas, con nombres como WR 112 y WR 98a, que compartían una arquitectura común, pero cada uno era único y distintivamente hermoso.

En los años transcurridos desde entonces, los molinetes han seguido fascinándonos, seduciéndonos y confundiéndonos.

Un misterio en curso comenzó en 1963, cuando entró en vigor el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares entre Estados Unidos y la URSS, lo que llevó a Estados Unidos a lanzar los satélites Vela para monitorear el cumplimiento mediante la detección de rayos gamma emitidos por las pruebas nucleares. Los sensores a bordo de estos satélites comenzaron a informar eventos que venían desde arriba, no sólo desde abajo. Desde entonces, estos llamados estallidos de rayos gamma se han convertido en uno de los temas más candentes de la astronomía. Se cree que un subtipo de explosiones de mayor duración, que duran más de dos segundos, surge de las supernovas que marcan la muerte de las estrellas Wolf-Rayet.

Los estallidos de rayos gamma no sólo son intrigantes, sino que a lo largo del tiempo cósmico pueden incluso representar un riesgo para la seguridad. Las supernovas típicas en realidad sólo pueden afectar a su vecindad estelar inmediata. Puede que esto no sea cierto en el caso de las supernovas con explosiones de rayos gamma. Aquí la salida de energía se limita a un haz estrecho y potente, por lo que, con la alineación correcta, son visibles a grandes distancias cósmicas. Tal alineación para un evento cercano puede presagiar peligro.

Estudios especulativos han sugerido que eventos en el registro fósil de la Tierra, como la extinción masiva del Ordovícico tardío, podrían haber sido causados ​​por un estallido de rayos gamma. El riesgo de tal cataclismo sólo existe cuando la Tierra está situada exactamente a lo largo de la línea de explosión. Por primera vez, nuestros datos nos permitieron analizar el probable eje de una posible explosión futura de nuestro molinete Wolf-Rayets. Desafortunadamente, WR 104 podría estar señalando nuestro camino.

Sin embargo, la amenaza estadística que plantea un futuro impacto de rayos gamma desde WR 104 es verdaderamente minúscula: varias cosas muy improbables tendrían que suceder todas en secuencia, incluido el evento de baja probabilidad que WR 104 puede albergar un estallido de rayos gamma (en lugar de un supernova típica) en primer lugar. Al escribir nuestra investigación, mis colegas y yo sopesamos las probabilidades cada vez más pequeñas pero distintas de cero (y el hecho de que la humanidad enfrenta amenazas más serias provenientes de cosas como el cambio climático) y decidimos incluir solo unas pocas oraciones breves y cuidadosamente redactadas sobre esta posibilidad en nuestra papel. Por supuesto, estas líneas inmediatamente se hicieron virales en Internet. Pronto estaba en la oficina del jefe de mi departamento, explicando cómo me había hecho famoso por las teorías de conspiración del calendario maya del fin del mundo de 2012.

Más recientemente, hemos recuperado datos nuevos y espectaculares sobre los molinetes de observatorios como el Telescopio Espacial James Webb, que Wolf y Rayet difícilmente podrían haber imaginado hace 150 años. Entre las primeras imágenes del JWST se encontraba una visión reveladora de un viejo amigo, WR 140 (del ciclo del polvo de ocho años mencionado anteriormente).

Con el asombroso salto en sensibilidad de este nuevo observatorio, podemos ver capa tras capa de polvo: casi 20 de ellas marchando hacia el espacio, cada una de las cuales es una réplica exquisitamente esculpida anidada dentro de la más antigua e inflada que la precede. Mi alumno Yinuo Han y yo comparamos esta observación con un modelo informático anterior que habíamos construido para describir sólo la capa de polvo más interna del WR 140. Cuando extrapolamos para ver cómo se verían 150 años de proyectiles repetidos, nuestro resultado imitó casi a la perfección la imagen de la capa de cebolla del JWST, mostrando el asombroso poder de las matemáticas para reflejar el mundo real.

Quizás el más emocionante de los nuevos descubrimientos haya sido el primer binario gemelo Wolf-Rayet confirmado, un sistema llamado Apep, al que mis colegas y yo le pusimos el nombre del enemigo mortal del dios sol egipcio Ra. Las imágenes del sistema evocan la mitología, sugiriendo una estrella en lucha dentro de los anillos de una serpiente. Apep también ofrece una sorpresa. Nuestros cálculos registran la velocidad del viento de gas en expansión de Wolf-Rayet, así como la tasa de expansión del polvo. Estos dos números deberían coincidir, y para todos los demás molinetes, lo hacen. En Apep, sin embargo, el polvo sale solo un tercio más rápido que el gas, pero queda atrapado entre los dientes del vendaval más fuerte conocido por la física estelar. Es como encontrar una pluma a la deriva en un huracán, flotando de alguna manera a su propio ritmo suave. ¿Cómo realiza el polvo alrededor de Apep este truco de magia? Nadie lo sabe con seguridad.

Una vez más, Wolf-Rayets son astrónomos humildes que creen entender cómo funcionan las cosas. Y cuando tengamos la respuesta a esta pregunta, estoy seguro de que estas enigmáticas estrellas nos habrán deparado misterios aún más profundos. Tienen un historial de mezclar cosas cada vez que aparecen.

Este artículo se publicó originalmente con el título "Celestial Wonders" en Scientific American 329, 2, 44-51 (septiembre de 2023).

doi:10.1038/scientificamerican0923-44

Explosiones en el borde.Anna Y. Q. Ho; December 2020.

Peter Tuthill Es astrónomo de la Universidad de Sydney en Australia, donde investiga astronomía y óptica. Crédito: Nick Higgins

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