Enanas Blancas: ¿Viven todas de la misma forma?

Un grupo de astrónomos descubre una nueva clase de enanas blancas, una clase que aún podría estar “quemando” combustible y que podría redefinir la forma en la que medimos edades en el universo.

Cúmulos estelares globulares M13 y M3, ubicados a aproximadamente 25.000 y 34.000 años, respectivamente. Cada uno con varios cientos de miles de estrellas de todo tipo; estrellas masivas, estrellas como nuestro Sol y estrellas poco masivas, y estrellas en distintas etapas evolutivas, por ejemplo; gigantes rojas y estrellas de la secuencia principal. Estos cúmulos, además, se formaron hace un tiempo suficiente para contener cadáveres estelares, por ejemplo; enanas blancas y, probablemente, estrellas de neutrones y agujeros negros. A pesar de ser cúmulos “casi gemelos”, presentan una diferencia notable: mientras que las enanas blancas de M3 son comunes y corrientes, una gran porción de las enanas blancas de M13 han alargado su vida quemando hidrógeno.

El fin de las estrellas

Eventualmente, (casi) todos los objetos del universo morirán. Los cúmulos de galaxias, las galaxias y las estrellas tienen los días contados. Aproximadamente, poco más del 97% de todas las estrellas del universo terminarán su vida como enanas blancas; el núcleo aplastado y caliente de dichas estrellas. El otro porcentaje restante de estrellas, probablemente, terminarán su vida como estrellas de neutrones o agujeros negros. Esta vez nos centraremos en las enanas blancas.

La mayor parte de su vida, las estrellas mantienen un equilibrio entre la gravedad, que trata de aplastarlas en todo momento, y la presión interna, impulsada por las reacciones nucleares (fusión), que “frena” el colapso. Sin embargo, cuando las estrellas no masivas, con masas menores a aproximadamente 8 veces la masa del Sola, comienzan a agotar el combustible que mantiene la presión interna, luego el colapso gravitacional es inminente.

La gravedad comienza a aplastar el núcleo de estas estrellas, el cual alcanza temperaturas increíblemente altas, emitiendo radiación muy energética que expande las capas más externas de dichas estrellas, expulsándolas al espacio interestelar. Estas capas externas formarán lo que conocemos hoy como nebulosas planetarias, que podrían alcanzar hasta varios años luz de extensión, mientras que el núcleo aplastado y caliente de estas estrellas quedará compactado en un cuerpo esférico cuyo tamaño es comparable con el tamaño de la Tierra, pero hasta con la mitad de la masa original de estrella: un objeto increíblemente denso, una enana blanca.

Luego de nacer, las enanas blancas, por muy calientes que se encuentren, comienzan a enfriarse lentamente hasta alcanzar su temperatura mínima. Este proceso puede tardar hasta trillones de años.

Cúmulos estelares

La gran mayoría de las estrellas no nacen aisladas en el universo, más bien la gran mayoría nacen en grupos de decenas hasta millones de ellas. El destino de estos grupos de estrellas dependerá de ciertas condiciones, internas y externas. Un grupo pueden mantenerse unido en el tiempo, o bien, deshacerse. En este caso, si el grupo se mantiene en el tiempo, hablaremos de un cúmulo estelar globular (o cúmulo estelar cerrado). En caso contrario, hablaremos de un cúmulo estelar abiertob. Esta vez nos interesan los cúmulos estelares globulares.

En los cúmulos estelares globulares las estrellas nacen (casi) al mismo tiempoc, es decir, todas tienen aproximadamente la misma edad. Sin embargo, debido a que algunas estrellas tienen diferentes masas, algunas de ellas evolucionarán a un ritmo distinto, a pesar de nacer al mismo tiempo.

Los cúmulos estelares globulares abundan en un gran porcentaje de galaxias en el universo. Sólo en la Vía Láctea se conocen más de 150 ejemplares. Por lo general, en la Vía Láctea, estos cúmulos globulares son encontrados en el halo galáctico, no en el disco, orbitando el centro galáctico.

Al ser unidades que se mantienen en el tiempo, los cúmulos globulares suelen contener estrellas muy viejas, muchas de ellas, incluso, sobrevivientes desde el momento de formación del propio cúmulo. No obstante, al formase con estrellas de todo rango de masas, también son hogar de cadáveres estelares cómo las enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros.

Enanas Blancas y Cúmulos Globulares: Edad

Conocer la edad de formación de los cúmulos estelares, especialmente los globulares, es de gran importancia para obtener información de la formación de las galaxias, incluyendo nuestra Vía Láctea. Desde el siglo pasado se conocen distintos métodos para estimar este importante parámetro, muchos de ellos combinando datos observacionales y simulaciones. Uno de estos métodos es observar las enanas blancas en estos cúmulos.

De por sí la presencia de enanas blancas en un cúmulo nos indica que dicho cúmulo ha tenido un cierto tiempo para evolucionar, por lo que debe tener una cierta edad. Pero más precisamente, los astrónomos prefieren observar la secuencia de enfriamiento de estas enanas blancas. Asumiendo que las enanas blancas se enfrian de la misma forma, transformando su calor interno en radiación electromagnética que liberan al espacio, entonces el proceso de enfriamiento debe ser similar. Conociendo qué tanto se ha enfriado una enana blanca, uno puede estimar el tiempo que le ha tomado para llegar a dicha temperatura. Por ejemplo, en un cúmulo donde se encuentran muchas de ellas, este hecho permite estimar la edad de dicho cúmulo de una manera bastante precisa.

No es tan fácil como parece

Existen algunos procesos que, en teoría, pueden alterar el proceso de enfriamiento de una enana blanca. Uno importante de aquellos, es la posibilidad de que las enanas blancas puedan mantener reacciones nucleares luego de haberse formado. No, no dentro de ellas, pero si sobre su superficie.

La gravedad en la superficie de las enanas blancas es tan fuerte que, por ejemplo, puede atrapar y comprimir gas de hidrógeno del exterior hasta hacerlo reaccionar y comenzar un nuevo periodo de actividad. Esto detendría el enfriamiento de las enanas blancas, por lo que sería más difícil inferir el tiempo en el que se ha mantenido enfriando desde su formación.

De todas formas, hasta hace poco siempre se habia pensado que nuevos periodos de actividad en la enanas blancas podían pasarse por alto y no tendrían mayor repercusión en el cálculo de su tiempo de enfriamiento. No obstante, esto parece haber cambiado según indican nuevas observaciones y simulaciones.

Lo nuevo

En efecto, un grupo de científicos liderados por Jianxing Chen, realizó, recientemente, un importante descubrimiento. Utilizando datos del Hubble Space Telescope (HST), el equipo analizó las enanas blancas de dos importantes y conocidos cúmulos estelares globulares de la Vía Láctea, M3 y M13. En total se analizaron más de 700 enanas blancas, 326 en M3 y más 460 en M13. La interpretación de los datos hecha por el equipo sugiere que; mientras que las enanas blancas del cúmulo M3 presentan un comportamiento similar en su enfriamiento, una gran porción de las enanas blancas del cúmulo M13 presentan una importante discrepancia en este mismo comportamiento.

En M13, el equipo logró diferenciar enanas blancas que se enfrían más lentamente que otras, un comportamiento que puede ser explicado, efectivamente, por reacciones nucleares que ocurren en la superficie de estos cuerpos, según indican los nuevos modelos teóricos y cómputos del equipo.

La razón de por qué esto ocurre significativamente más en M13 que en M3 es aún incierta. La investigación hecha por el equipo fue publicada el 6 de septiembre (2021) en un artículo científico en la revista Nature Astronomy con el título “Slowly cooling white dwarfs in M13 from stable hydrogen burning”.

“Nuestro descubrimiento cambia la definición de enanas blancas tal como la enseñamos actualmente a los estudiantes, y abre una nueva perspectiva sobre la forma en que estas estrellas envejecen. 

Ahora estamos investigando otros cúmulos similares a M13 para restringir aún más las condiciones que impulsan a las estrellas a mantener la delgada envoltura de hidrógeno que les permite envejecer lentamente ”

Francesco R. Ferraro, co-autor del esutdio publicado el 6 de septiembre 2021 en Nature Astronomy


a Aunque algunos estudios también sugieren que este valor puede ser mayor en algunos casos, llegando hasta 11 masas solares [volver al texto]

b Estas definiciones de cúmulos estelar globular y abierto no son precisas. Su uso es netamente explicativo [volver al texto]

c Sin embargo, también hay procesos que ocurren dentro de los cúmulos que pueden dar paso a la formación de nuevas estrellas posterior a la formación del propio cúmulo. [volver al texto]

Referencias

Stars don’t age at the same way – White dwarfs reveal the secret of slowly ageing

Stars don’t age in the same way: White dwarfs reveal the secret of slowly ageing

HUBBLE DISCOVERS HYDROGEN-BURNING WHITE DWARFS ENJOYING SLOW AGING

Chen, Jianxing, et al. “Slowly cooling white dwarfs in M13 from stable hydrogen burning.” Nature Astronomy (2021): 1-8.

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