¿Cómo se forman las estrellas en el universo?
El astrónomo Rafael Bachiller nos descubre en esta serie los fenómenos más espectaculares del Cosmos. Temas de palpitante investigación, aventuras astronómicas y novedades científicas sobre el Universo analizadas en profundidad.
Las estrellas nacen por azar. Se juntan fragmentos de materia de las nubes frías de gas y polvo que flotan en el espacio, las llamadas nebulosas. Estas partículas se van agregando por atracción gravitatoria hasta formar una gran masa. Este conglomerado, por efecto de la gravedad, se contrae sobre sí mismo y como consecuencia aumenta en su centro, la densidad, presión y calor.
De esta manera, los átomos se mueven cada vez más rápido y chocan unos con otros. En esas condiciones, pronto se inician reacciones de fusión nuclear. Cuando comienzan ha nacido la estrella.
Las agrupaciones de masa que no logran iniciar las reacciones nucleares, es decir, las estrellas frustradas, se denominan enanas marrones. Las que sí lo logran continúan un arduo camino cósmico.
Las reacciones nucleares liberan presión del centro de la estrella, contrarrestan el efecto de la gravedad, lo que evita que la estrella colapse sobre sí misma. La estrella vivirá gracias a ese tenso equilibrio entre gravedad y reacciones nucleares. Morirá cuando la gravedad gane la batalla, algo que sucederá sin excepción.
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Embrión estelar
Las estrellas se forman en el seno de nubes interestelares que están constituidas por gas mezclado con pequeñas partículas de material sólido (polvo interestelar). La acumulación de materia en una zona de la nube hace que esta se desplome bajo el efecto gravitatorio de su masa. Se suele formar así una estructura densa, aplanada y rotante denominada protoestrella.
En la zona central se acumula la masa formando un germen estelar que queda rodeado de un disco en rotación que acabará formando un sistema planetario. Aunque los mecanismos básicos de la formación estelar se comprenden bien, todavía quedan muchos detalles por desvelar.
Para reconstruir todos estos detalles, la mejor estrategia es observar las estrellas jóvenes más próximas, pues es aquí donde los telescopios pueden ayudar a ver muchos pormenores que no son visibles en estrellas lejanas. Una de estas estrellas jóvenes y cercanas es TW Hydrae (o simplemente TW Hya), una estrella variable situada en la constelación de Hidra, a tan solo 196 años luz del Sol, que ha sido estudiada ahora, con un asombroso nivel de detalle, por un equipo internacional de astrónomos que cuenta con dos españoles: Rubén Fedriani, que se encuentra trabajando en la Universidad de Tecnología de Chalmers (Suecia) y Rebeca García López, que es quien lidera al equipo desde la University College e Instituto de Estudios Avanzados de Dublín.
La edad de TW Hya es de tan solo un millón de años. Es decir, esta estrella es un auténtico embrión si la comparamos con el Sol que tiene una edad de 4.500 millones de años. La estrella está aún rodeada por un disco de gas polvoriento que dará lugar a planetas similares a los del sistema solar. Se pensaba que este disco polvoriento estaba conectado con la joven estrella mediante corrientes de gas que debían transportar material hacia la superficie estelar, contribuyendo así al crecimiento de la estrella. Pero estos canales de gas nunca habían sido observados de manera directa.
Chorros y campos magnéticos
Utilizando cuatro de los mayores telescopios del mundo trabajando al unísono (el sistema VLTI de ESO) que están equipados con un detector ultrapreciso (el denominado GRAVITY, García López y su equipo han conseguido ahora observar directamente esos chorros del gas que fluye desde el disco hacia el embrión estelar. Los astrónomos han medido que tales chorros tienen dimensiones de unas cuantas veces el diámetro solar, es decir, unos millones de kilómetros, y han concluido que el gas debe de ir canalizado por los intensos campos magnéticos que unen el disco circunestelar con la superficie de la estrella en ciernes.
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Tanto las dimensiones como las velocidades de estos chorros se explican bien mediante modelos teóricos que simulan los procesos físicos que tienen lugar en este entorno tan complejo. El desvelar todos estos detalles de la formación estelar nos ayuda a comprender los mecanismos mediante los que se formó nuestro Sol con el sistema planetario que lo rodea. Al tomar imágenes de regiones tan próximas a una estrella joven penetramos en los secretos que condujeron a la formación de la Tierra y de nuestros planetas hermanos.
GRAVITY combina la luz del infrarrojo cercano captada por los cuatro espejos de 8 metros de diámetro cada uno del VLTI para simular (mediante la técnica de la interferometría) un megatelescopio virtual que tendría un diámetro de 130 metros. Estas observaciones de García López ilustran las capacidades de un sistema tan sumamente potente que, sin duda, contribuirá de manera decisiva a la elucidación de muchísimos detalles importantes de los procesos mediante los que nacen estrellas y planetas.
El papel de los mapas astrales
Más de un millón de imágenes de distintos puntos del universo confeccionan un mapa astral, el cual ayudará a entender el origen y comportamiento de las estrellas. Un grupo de astrónomos de la Universidad de Viena ha conseguido tomar más de un millón de imágenes de varias regiones estelares cercanas para formar un mapa del firmamento, mostrando la evolución de dichos cúmulos estelares durante un período de cinco años. Este atlas celeste permitirá a los investigadores entender cómo nacen y se comportan las estrellas más jóvenes.
En este caso, el grupo de investigadores de la Universidad de Viena utilizó el Telescopio de Rastreo Visible e Infrarrojo para Astronomía (VISTA), ubicado en el Observatorio Paranal de ESO (Chile). Durante cinco años, estudiaron las regiones de Orión, Ofiuco, Chamaeleon, Corona Austrina y Lupus. Los cinco cúmulos de estrellas son relativamente cercanos entre sí. Además, se encuentran a menos de 1.500 años luz de distancia de la Tierra, ocupando una gran área del cielo.
Con más de un millón de imágenes tomadas, el equipo logró crear un vasto atlas infrarrojo de la bóveda celeste. En éste han podido observar manchas oscuras de polvo, nubes brillantes, estrellas recién nacidas y las distantes estrellas de fondo de la Vía Láctea. Asimismo, el mosaico de imágenes revela estrellas jóvenes en formación, incrustadas en densas nubes de polvo. A partir de estos datos, los investigadores esperan poder descifrar el complejo rompecabezas que supone el nacimiento de una nueva estrella.
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Desafíos observacionales y descubrimientos en el centro galáctico
Las densas regiones centrales de nuestra galaxia, la Vía Láctea, constituyen un laboratorio natural para el estudio de la formación rápida de estrellas, un fenómeno habitual en las galaxias, especialmente en los primeros miles de millones de años de la historia del universo. Sin embargo, la alta densidad de estrellas en esta región ha impedido su estudio en detalle.
Ahora un trabajo publicado en Nature Astronomy ha permitido, por primera vez, reconstruir la historia de la formación estelar en el centro galáctico. “Nuestra Vía Láctea no es una galaxia muy productiva. En conjunto, las estrellas que se forman en un año ascienden a no más de unas pocas masas solares”, apunta Francisco Nogueras-Lara, investigador del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) que encabeza el trabajo.
El centro de nuestra galaxia impone, no obstante, dos desafíos observacionales: por un lado, se halla escondido detrás de copiosas cantidades de polvo que impiden su visión, lo que se resolvió recurriendo a observaciones en el infrarrojo, en ondas milimétricas y en radio. Por otro lado, está el reto observacional del propio hacinamiento de las estrellas, que impide distinguirlas y que solo permitía determinar estrellas individuales muy masivas y brillantes. Para resolver esta cuestión se desarrolló el proyecto Galacticnucleus, liderado por el investigador Rainer Schödel del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC).
Estos nuevos datos permitieron confirmar que la región del centro galáctico conocida como Sagitario B1 era diferente, así como estudiar sus estrellas en detalle. Particularmente interesante fue la distribución estadística de la luminosidad de esas estrellas. Para las estrellas que se forman al mismo tiempo, esa distribución de luminosidad cambia con el tiempo de manera regular y predecible. A su vez, esto permite deducir la historia aproximada de la formación de estrellas.
Aunque las estrellas jóvenes recién descubiertas se hallan en una región específica, su ejemplo sugiere un modo más general de formación estelar en el centro galáctico: estrellas que no nacen en cúmulos masivos, sino en asociaciones estelares más dispersas, que luego se disuelven a medida que orbitan el centro galáctico en escalas de varios millones de años.
La presencia de la población más antigua de estrellas en Sagitario B1 también es interesante. En las regiones más internas del centro galáctico existen estrellas de más de siete mil millones de años, pero prácticamente ninguna estrella en el rango de edad intermedia de dos a siete mil millones de años. Esto podría indicar que la formación de estrellas en el centro de la Vía Láctea comenzó en la región más interna y luego se extendió a las regiones exteriores.
Evolución estelar
Las estrellas evolucionan a medida que van agotando su masa, que es el combustible de las reacciones nucleares. Cuanto más masa tiene una estrella, más combustible tiene para alimentar su ‘motor’ y brilla más, pero vive menos tiempo. Cuando se agota el combustible de su centro, la estrella vuelve a contraerse y aumenta de nuevo su temperatura, lo que favorece las aparición de nuevas reacciones nucleares. Esta vez se producen en la siguiente capa de masa alrededor de la central, que ya está gastada y contrayéndose. Esta capa circundante se expande y así la estrella se hace más grande.
El aumento de volumen es el responsable del cambio de color de las estrellas. Cuanto más grande, más se enfrían las capas externas y emiten luz visible en un color determinado. Las estrellas más frías son rojas (con unos 2800 ºC), las amarillas rondan los 5500 ºC, las más calientes son azules (aproximadamente 20.000 ºC) y las verdosas (100.000 ºC).
Un estrella típica de masa media es nuestro Sol. Es joven, tiene tan solo unos 4.600 millones de años. Es una gigante amarilla y dentro de 7.000 millones de años habrá madurado y se habrá convertido en una gigante roja. Será unas cien veces más grande de lo que es en la actualidad y habrá engullido a la Tierra. Morirá a la edad de 12.000 millones de años tras perder gran parte de su masa, que habrá lanzado eyectada en todas direcciones formando una nebulosa planetaria. Será entonces una enana blanca, que brillará con debilidad hasta que se agote, se vuelva negra e inerte. La mayoría de la estrellas mueren como enanas blancas, excepto las estrellas supermasivas, que son de color azul. Ellas tienen un final apoteósico. Su final consiste en una explosión de brillo excepcional llamada supernova. Desprenden en unos pocos segundos tanta energía como la que ha emitido y emitirá nuestro Sol en toda su existencia.
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