Desde Chile descubren causas de la diversidad estelar en estrellas binarias

April 29, 2024

Astrónomos de Argentina y Chile confirmaron que las diferencias observadas en la composición química de este tipo de estrellas se pueden remontar a sus primeras etapas de formación

Desde Chile descubren causas de la diversidad estelar en estrellas binarias

Utilizando el telescopio de Gemini Sur, ubicado en la Región de Coquimbo en Chile, un equipo de astrónomos confirmó por primera vez que las diferencias observadas en las estrellas binarias se deben a las diferencias químicas en la nube de material estelar de la cual se formaron. Los resultados ayudan a explicar por qué las estrellas que nacieron de la misma nube molecular pueden tener una composición química distinta y sistemas planetarios tan diferentes, además de plantear nuevos retos a los modelos actuales de formación estelar y planetaria.

Se estima que hasta el 85% de las estrellas son realmente sistemas de estrellas binarias, e incluso otras componen sistemas de tres o más estrellas. Estas parejas estelares nacen de la misma nube molecular disponiendo de la misma cantidad de elementos químicos para su formación, por lo que los astrónomos esperarían encontrar una composición y sistemas planetarios casi idénticos. Sin embargo, en muchas binarias eso no es así, y aunque algunas explicaciones atribuyen estas diferencias a eventos ocurridos luego de la evolución de las estrellas, un equipo de astrónomos confirmó que estas se pueden originar incluso antes de su formación.

Con la dirección del astrónomo Carlos Saffe del Instituto de Ciencias Astronómicas, de la Tierra y del Espacio (ICATE-CONICET) de Argentina, el equipo utilizó el telescopio de Gemini Sur, ubicado en Chile y correspondiente a la mitad austral del Observatorio Internacional Gemini que financia en parte la Fundación Nacional de los Estados Unidos y que opera NOIRLab de NSF.

Gracias al nuevo y preciso Espectrógrafo Óptico de Alta Resolución (GHOST, por sus siglas en inglés), que se encuentra instalado en Gemini Sur, el equipo detectó diferencias significativas en la composición química de un par de estrellas gigantes: “Los espectros de altísima calidad de GHOST ofrecieron una resolución sin precedentes, permitiéndonos medir los parámetros estelares y las abundancias químicas de las estrellas con la mayor precisión posible”, explicó Saffe. Estas mediciones revelaron que una de las estrellas tenía mayor cantidad de elementos pesados que la otra. Para desentrañar el origen de esta discrepancia, el equipo utilizó un enfoque único.

Estudios anteriores proponían tres posibles explicaciones para las diferencias químicas observadas entre las estrellas binarias. Dos de ellas involucran procesos que podrían ocurrir bien entrada la evolución de las estrellas: la difusión atómica, o el asentamiento de elementos químicos en capas gradientes dependiendo de la temperatura y de la gravedad de la superficie de cada estrella; y el engullimiento de un pequeño planeta rocoso que podría introducir variaciones químicas en la composición de la estrella.

La tercera explicación posible se remonta al principio, y sugiere que las diferencias se originan de las distribuciones desiguales pre-existentes en la nube molecular primordial. En términos más sencillos, si la nube molecular tiene una distribución desigual de elementos, entonces las estrellas nacidas dentro de esa nube tendrán composiciones diferentes dependiendo de qué elementos estaban disponibles en el lugar donde se formó cada una.

Hasta ahora, los estudios han concluido que las tres explicaciones son probables, sin embargo estos estudios se centraban solamente en las binarias de secuencia principal. La ‘secuencia principal’ es la etapa en la que una estrella pasa la mayor parte de su existencia, y donde se encuentran la mayoría de las estrellas del Universo, incluyendo nuestro Sol. En su lugar, Saffe y su equipo observaron un sistema binario formado por dos estrellas gigantes, las cuales poseen capas externas o zonas convectivas extremadamente profundas y muy turbulentas. Debido a las propiedades de estas gruesas zonas convectivas, el equipo fue capaz de descartar dos de las tres posibles explicaciones.

El continuo remolino de fluidos en la zona convectiva dificultaría el asentamiento de material en capas, haciendo a las estrellas gigantes menos sensitivas a los efectos de la difusión atómica, con lo cual se descarta la primera explicación. La gruesa capa exterior también significa que un engullimiento planetario no cambiaría mucho la composición de la estrella, ya que el material ingerido se diluiría rápidamente, descartando la segunda explicación. Esto deja a la distribución desigual primordial al interior de la nube molecular como la explicación confirmada: “Esta es la primera vez que los astrónomos han sido capaces de confirmar que las diferencias entre las estrellas binarias comienzan en las primeras etapas de su formación”, explicó Saffe.

Por su parte, el Director de programa de NSF para el Observatorio Internacional Gemini, Martin Still., expresó que “utilizando las precisas capacidades de medición que proporciona el instrumento GHOST, Gemini Sur está recolectando observaciones de estrellas al final de sus vidas para revelar el entorno en el que nacieron. Esto nos da la habilidad de explorar cómo las condiciones en las que se forman las estrellas pueden influenciar su existencia completa durante millones o miles de millones de años”.

Hay tres consecuencias de particular significado en este estudio. Primero, estos resultados ofrecen una explicación de por qué los astrónomos ven estrellas binarias con sistemas planetarios tan diferentes: “Sistemas planetarios distintos puede significar planetas muy diferentes —rocosos, similares a la Tierra, gigantes de hielo, gigantes gaseosos— que orbitan sus estrellas anfitrionas a distintas distancias y en donde el potencial para albergar vida puede ser muy diferente”, indicó Saffe.

Segundo, estos resultados plantean un desafío crucial al concepto de etiquetado químico —es decir, el uso de la composición química para identificar las estrellas que provienen del mismo entorno o semillero estelar—, al demostrar que estrellas con composición química distinta pueden tener el mismo origen.

Finalmente, será necesario revisar las diferencias observadas previamente y que se atribuían a impactos planetarios en la superficie de una estrella, ya que ahora podría considerarse que han estado ahí desde el principio de la vida de la estrella.

“Al demostrar por primera vez que que las diferencias primordiales están realmente presentes y son responsables de las diferencias entre estrellas, demostramos que la formación de estrellas y planetas podría ser más compleja de lo que pensábamos inicialmente. El Universo adora la diversidad”, concluyó Saffe.

Más Información

Esta investigación fue presentada en un artículo científico aceptado en Astronomy & Astrophysics Letters. DOI: 10.1051/0004-6361/202449263

El equipo científico estuvo conformado por C. Saffe (ICATE-CONICET/UNSJ, Argentina), P. Miquelarena (ICATE-CONICET/UNSJ, Argentina), J. Alacoria (ICATE-CONICET, Argentina), E. Martioli (LNA/MCTI, Brasil), M. Flores (ICATE-CONICET/UNSJ, Argentina), M. Jaque Arancibia (Universidad de La Serena, Chile), R. Angeloni (International Gemini Observatory/NSF NOIRLab, Chile), E. Jofré (OAC/CONICET, Argentina), J. Yana Galarza (Carnegie Institution for Science, CA), E. González (UNSJ, Argentina), and A. Collado (ICATE-CONICET/UNSJ, Argentina).

NOIRLab de NSF (Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos), el centro de EE.UU. para la astronomía óptica-infrarroja terrestre, opera el Observatorio Internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brasil, MINCyT–Argentina y KASI – República de Corea), el Observatorio Nacional Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (operado en cooperación con el National Accelerator Laboratory (SLAC) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede central en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en I’oligam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea, en Hawai‘i, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y la veneración que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, para la comunidad nativa de Hawai‘i y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.