Una simulación de una estrella de 3 masas solares muestra un núcleo convectivo central y las ondas que genera en el resto del interior de la estrella. Crédito: Philipp Edelmann
Los astrónomos comúnmente se refieren a las estrellas masivas como las fábricas químicas del universo. Por lo general, terminan sus vidas en espectaculares supernovas, eventos que forjan muchos elementos de la tabla periódica. La forma en que los núcleos se entremezclan dentro de estas enormes estrellas influye en gran medida en nuestra comprensión de su evolución antes de su explosión. También representa la mayor incertidumbre para los científicos que estudian su estructura y evolución.
Un equipo de astrónomos dirigido por May Gade Pedersen, estudiante de doctorado en el Instituto de Física Teórica de la Universidad de California en Santa Bárbara, ahora ha medido la mezcla interna de estas estrellas utilizando observaciones de ondas desde su interior profundo. Si bien los científicos han utilizado esta técnica antes, este artículo destaca que esta es la primera vez que se hace para un grupo tan grande de estrellas a la vez. Los resultados publicados en Astronomía de la naturalezamuestran que la mezcla interna varía ampliamente, sin dependencia aparente de la masa o edad de la estrella.
Las estrellas pasan la mayor parte de su vida fusionando hidrógeno en helio en las profundidades de sus núcleos. Sin embargo, la fusión en estrellas particularmente masivas está tan concentrada en el centro que conduce a un núcleo de convección turbulento, similar a una olla de agua hirviendo. La convección, junto con otros procesos como la rotación, elimina efectivamente la ceniza de helio del núcleo y la reemplaza con hidrógeno de la capa. Esto permite que las estrellas vivan mucho más tiempo de lo previsto.
Los astrónomos creen que esta mezcla se debe a varios fenómenos físicos como la rotación interna y las ondas sísmicas internas en el plasma excitadas por el núcleo convectivo. Sin embargo, esta teoría ha permanecido en gran parte ilimitada por la observación debido a que ocurre tan profundamente dentro de las estrellas. Dicho esto, existe un método indirecto de observación de estrellas: la astrosismología, el estudio e interpretación de las oscilaciones estelares. La técnica es análoga a cómo los sismólogos utilizan los terremotos para estudiar el interior de la Tierra.
“El estudio de las oscilaciones de las estrellas plantea un desafío para nuestra comprensión de la estructura y evolución de las estrellas”, dijo Pedersen. “Nos permiten estudiar el interior de las estrellas directamente y hacer comparaciones con las predicciones de nuestros modelos estelares”.
Pedersen y sus colegas en KU Leuven, la Universidad de Hasselt y la Universidad de Newcastle pudieron derivar confusión interna para un conjunto de tales estrellas usando astrosismología. Esta es la primera hazaña de este tipo que se logra y solo fue posible gracias a una nueva muestra de 26 estrellas B de pulsación lenta con oscilaciones estelares identificadas de la misión Kepler de la NASA.
Las estrellas de tipo B de pulsación lenta son de tres a ocho veces más masivas que el Sol. Se expanden y contraen durante un período de 12 horas a 5 días y pueden cambiar el brillo hasta en un 5%. Pedersen explicó que sus modos de oscilación son particularmente sensibles a las condiciones cercanas al núcleo.
“La mezcla interna dentro de las estrellas ahora se ha medido mediante observación, y parece variar en nuestra muestra, con algunas estrellas apenas se mezclan, mientras que otras muestran niveles un millón de veces más altos”, dijo Pedersen. Resulta que la diversidad no tiene nada que ver con la masa o la edad de la estrella. Más bien, se debe principalmente a la rotación interna, aunque no es el único factor del juego.
“Estos resultados astrosísmicos finalmente permiten a los astrónomos refinar la teoría de la mezcla interna de estrellas masivas, que hasta ahora no ha sido calibrada por observaciones que vienen directamente de su interior profundo”, agregó.
La precisión con la que los astrónomos pueden medir la oscilación de una estrella depende directamente de cuánto tiempo se ha observado la estrella. Extender el tiempo de una noche a un año da como resultado un aumento de mil veces en la precisión medida de la frecuencia de oscilación.
“May y sus colegas realmente han demostrado el valor de las observaciones astrosísmicas como sondas para el interior profundo de las estrellas de una manera nueva y profunda”, dijo el director de KITP, Lars Bildsten, profesor de física teórica en Gluck. “No puedo esperar a ver qué encuentra a continuación”.
Los mejores datos disponibles actualmente sobre este tema provienen de la misión espacial Kepler, que ha observado la misma parte del cielo durante cuatro años consecutivos. Las estrellas de tipo B de pulsación lenta eran las estrellas pulsantes más masivas jamás observadas por el telescopio. Si bien la mayoría de ellos son demasiado pequeños para convertirse en supernovas, comparten la misma estructura interna que las fábricas químicas estelares más masivas. Pedersen espera que las observaciones obtenidas del estudio de las estrellas B arrojen luz sobre el funcionamiento interno de sus homólogas O de mayor masa.
Él planea usar datos del Satélite de Estudio de Exoplanetas en Tránsito (TESS) de la NASA para estudiar grupos de estrellas oscilantes de gran masa en asociaciones OB. Estos grupos incluyen de 10 a más de 100 estrellas masivas con masas de 3 a 120 masas solares. Las estrellas en asociaciones OB nacen de la misma nube molecular y tienen una edad similar, explicó. Una gran muestra de estrellas y las limitaciones de su edad habitual ofrecen nuevas e interesantes posibilidades para estudiar las propiedades de mezcla interna de las estrellas de gran masa.
Además de revelar procesos ocultos dentro de las estrellas, la investigación de las oscilaciones estelares también puede proporcionar información sobre otras propiedades de las estrellas.
“Las oscilaciones de las estrellas nos permiten no solo estudiar la mezcla interna y la rotación de las estrellas, sino también determinar otras propiedades de las estrellas, como la masa y la edad”, explicó Pedersen. “Si bien estos son dos de los parámetros más fundamentales para las estrellas, también son uno de los más difíciles de medir”.
Proporcionado por la Universidad de California – Santa Bárbara