Kepler abre una “autopista” hacia el interior de las estrellas

Antonio Jiménez / 08-04-2011

El Universo se estudiará a partir de ahora a través de la música de sus estrellas. Esta bella frase encierra una realidad compleja que el satélite Kepler está ayudando a desentrañar. En un proyecto internacional con una importante colaboración europea y en el que participa el Instituto de Astrofísica de Canarias, este satélite de NASA está observando nada menos que unas 150.000 estrellas simultáneamente, lo que es una primicia en la Astrosismología.

Un estudio estadístico realizado con datos procedentes de unos quinientos de estos objetos astronómicos, estrellas de tipo solar para ser precisos, ya ha permitido establecer cuán fidedignos eran los modelos teóricos utilizados hasta ahora. Los resultados del mismo han salido publicados hoy en la revista Science y, en resumen, avalan a los modelos en lo referente a la distribución de los radios de las estrellas, pero no a las masas. Los datos obtenidos por el satélite permitirán la mejora de los modelos sobre la distribución, formación y evolución estelar con información obtenida en el interior mismo de las estrellas.

La Astrosismología está que arde, como el núcleo de su objeto de estudio. El pasado mes de marzo se publicó en Science Express un artículo sobre la primera detección de modos mixtos/g en estrellas gigantes y otro en Nature que hablaba del uso de los mismos para discernir por primera vez el estado evolutivo en que se encuentran las estrellas gigantes rojas: o bien quemando hidrógeno en una capa superior al núcleo de helio inerte o bien entrando el núcleo de helio en fusión nuclear si la temperatura aumenta lo suficiente (a 100 millones de grados). Pongamos estos logros en el contexto adecuado: hasta 2009 los modos g tenían sólo una existencia teórica, ni siquiera había sido posible encontrarlos en el Sol, la primera estrella en la que se utilizaron técnicas sismológicas por razones obvias de cercanía e interés para los científicos. En ese momento parecía extremadamente difícil detectarlos en otras estrellas, y no digamos utilizarlos para conocerlas mejor.

Todo esto está muy bien, pero ¿por qué se habla de música de las estrellas?, ¿qué es exactamente la Astrosismología? ¿y los modos de oscilación?

Empecemos con la música. Al escuchar un instrumento musical nos podemos preguntar por qué suena de esa forma o por qué un violín produce un sonido distinto al de una guitarra, una flauta, un trombón o cualquier otro congénere suyo. La contestación es porque son física, química y estructuralmente distintos. Un cuerpo sometido a una perturbación responde vibrando. Por ejemplo, al golpear un tambor o provocar rozamiento con el arco en las cuerdas de un violín, cada uno de ellos produce un espectro de vibraciones que depende de su composición y geometría. Si somos buenos músicos adivinamos de qué instrumento se trata cuando lo oímos. Los astrosismólogos escuchamos el sonido (o la música, seamos poéticos) de las estrellas e intentamos saber cómo son ellas por dentro, quiénes son sus intérpretes y cómo tocan.

Dentro de las estrellas hay perturbaciones que provocan que respondan oscilando. Las ondas de sonido resultantes de dicha vibración se propagan desde el interior hacia la superficie provocando minúsculas variaciones en su brillo que es posible medir y que conforman el espectro de vibración propio de la estrella. A través del estudio de este espectro podemos desentrañar muchos de los secretos que ella guarda en su interior. Esto es una gran suerte para los investigadores, pues la luz estelar procede únicamente de su parte más superficial, llamada fotosfera y, si no existieran las vibraciones, su parte interna permanecería inaccesible para nosotros. Existen dos tipos de modos de oscilación: los modos de presión, que viajan por toda la estrella, y los gravitatorios, que están atrapados cerca del núcleo. La primera estrella en ser estudiada de esta forma fue, como ya saben, nuestro Sol. Corría la década de los setenta cuando se desarrolló la instrumentación adecuada para poder medir las variaciones superficiales y obtener su espectro. Esta nueva rama de la Astrofísica se llamó Sismología Solar o Heliosismología y es muy activa desde entonces. El conocimiento que actualmente tenemos del interior del Sol no habría sido posible obtenerlo de ninguna otra forma. Nuestra estrella, al estar muy cerca de nosotros, facilita la medición de estas variaciones superficiales incluso desde tierra, aunque obviamente desde el espacio la calidad de los datos es superior. La atmósfera terrestre es bien conocida por empeorar la calidad de la información obtenida. El siguiente paso de los heliosismólogos o sismólogos solares fue aplicar la misma metodología a otras estrellas, dando lugar a la Astrosismología: el análisis del espectro de vibración de otras estrellas distintas del Sol. Desde la superficie de la Tierra, el efecto distorsionador y absorbente de la atmósfera, junto con la pequeñísima amplitud de las vibraciones estelares, convierte en muy difícil, si no imposible, su observación. Ello obliga a dar el paso de observar desde satélites con instrumentación suficientemente avanzada para poder detectar pequeñísimas variaciones en el brillo estelar (de tan solo unas pocas partes en un millón). El satélite Kepler es capaz de ver estos cambios y lo está haciendo en 150.000 estrellas.

Un tipo de estrellas observadas por Kepler es el constituido por estrellas de tipo solar: parecidas a nuestro Sol pero en diferentes estados evolutivos. Si pudiésemos detectar y caracterizar los espectros de vibración de una muestra suficientemente elevada de ellas y determinar sus masas, radios y propiedades internas, podríamos lograr dos resultados positivos. Por un lado, dispondríamos de una imagen mucho más clara del pasado y futuro de nuestro Sol, que nació hace unos 5.000 millones de años y se encuentra en la mitad de su vida. Por el otro, podríamos cuestionar los modelos clásicos que predicen las distribuciones de poblaciones estelares en nuestra galaxia.

Esto es lo que se está consiguiendo con Kepler. Este satélite ha obtenido de forma precisa los espectros de vibración de 500 estrellas de tipo solar. La enorme calidad de dichos espectros ha hecho posible su análisis sismológico y la determinación de parámetros como las masas y radios de todas esas estrellas que se encuentran en distintos estadios de su existencia.

Los conocimientos que teníamos hasta ahora sobre la distribución estelar en nuestra galaxia, la Vía Láctea, se derivaban de los modelos clásicos, que no podían ser demasiado precisos debido a la falta de información directa. Gracias a los espectros de vibración obtenidos por Kepler, ha sido posible cuestionar el grado de veracidad de estos antiguos modelos. En un estudio realizado por un grupo internacional de investigadores, entre los que se encuentran científicos del Instituto de Astrofísica de Canarias, se ha podido determinar que la distribución de los radios de estas estrellas de tipo solar encaja bastante bien con los modelos, no así la distribución de masas. Los datos obtenidos en esta investigación publicada en la revista Science muestran una distribución más ancha de las masas, con un centro situado entre las inferiores.Este dato es muy importante por su implicación en el ritmo de formación estelar y la función inicial de la masa de las estrellas. En resumidas cuentas: la masa de una estrella es determinante en su evolución.

Kepler ha detectado oscilaciones en estrellas que se encuentran en diversos momentos de su vida y continúa en el espacio, enviándonos información valiosísima de su interior. Esto no es todo, ya que su contribución mejorará con el tiempo. Pues sí, las series de datos serán más largas y, por tanto, la calidad de los espectros de vibración resultantes mejor (mayor resolución espectral). Y esto nos revelará un mundo estelar desconocido hasta ahora, con un nivel de detalle al que no teníamos acceso.

En este futuro que ya es presente, se podrán detectar los espectros de las estrellas más débiles, que al brillar menos exigen más tiempo de observación para dejarnos averiguar los secretos que guardan en su interior. Se afinarán los esbozos de las estrellas estudiadas obteniendo un retrato más fidedigno de las mismas. Asimismo, Kepler descubrirá más y más estrellas oscilantes, y éstas completarán la foto de familia de este tipo de objetos astronómicos de modo que sea posible cuestionar, todavía con más datos, los modelos de formación, distribución y evolución estelar y acercarnos cada vez más a la realidad de estos cuerpos. Con el satélite Kepler se abre una nueva era en la Astrofísica.

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El autor

Antonio Jiménez Doctor en Astrofísica por la Universidad de La Laguna. Investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias, trabaja con los datos del satélite Kepler y ha participado en la investigación publicada en Science.

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