Las estrellas Delta Scuti “vibran” como el Sol

Katrien Uytterhoeven / 16-12-2011

Traducción: Annia Domènech

El satélite Kepler, de la agencia espacial NASA, está revolucionando nuestro conocimiento del interior de las estrellas. Uno de los últimos ejemplos de su “poderío” en este campo ha sido la detección de oscilaciones de tipo solar en una estrella Delta Scuti, un tipo de estrellas que son ligeramente más masivas que el Sol y que se caracterizan por una fina capa de convección externa. Durante años se predijo que dicha capa (de un 1% mientras que en el Sol es de un 30%) tenía energía suficiente para provocar oscilaciones de tipo solar, pero hasta ahora no habían sido detectadas. El resultado sobre HD187547, pues así se llama la estrella objeto de estudio, fue presentado por Victoria Antoci y sus colaboradores en la revista Nature.

Antes de profundizar en la relación existente entre las oscilaciones y el conocimiento del interior estelar, recordemos algunas de las características de estos cuerpos astronómicos. Empezaremos explicando que su estructura y evolución dependen de su masa inicial y que las estrellas pasan gran parte de su existencia en la secuencia principal, es decir, en su fase adulta. No se habla de estrella hasta que el plasma alcanza temperaturas lo bastante elevadas para que dé comienzo la fusión del hidrógeno, un proceso en el que los núcleos de hidrógeno se agrupan formando un átomo de helio, de mayor tamaño. Durante la fusión, se libera energía, que viaja por el interior estelar hasta alcanzar su atmósfera y ser irradiada al espacio exterior haciendo que la estrella “brille”.

En las estrellas adultas la fusión del hidrógeno ocurre en el núcleo. La energía resultante de la misma puede desplazarse hasta la superficie por dos mecanismos: radiación y convección. En el primero, se propaga como una onda por el plasma de la estrella de forma similar a las ondas de sonido en el aire. En cambio, la convección se compara con los movimientos del agua hirviendo: el plasma se desplaza en una corriente circular en la que el plasma caliente asciende y el frío desciende. En la mayoría de estrellas, el transporte tiene lugar tanto por radiación como por convección.

La estructura interna de una estrella consiste en un núcleo rodeado por capas de una zona radiativa y una zona convectiva. El grosor de dichas capas y el orden en el que se suceden desde el núcleo hasta la corteza dependen de su masa. El Sol tiene tres: el núcleo, una amplia zona radiativa y una menor zona convectiva externa. Por consiguiente, la energía generada en el núcleo solar se transporta por radiación en la capa radiativa (que envuelve el núcleo) y por convección en la capa más externa. En estrellas cuya masa supera las 1,5 masas solares, las capas están invertidas y la energía se transporta primero por convección y en las capas más externas por radiación. Las estrellas con masas por debajo de 0,5 masas solares únicamente poseen zona convectiva y por tanto la energía es transportada sólo por convección.

Los esfuerzos de la estrellas por mantenerse en equilibrio causan la expansión y contracción de sus capas y, ulteriormente, oscilaciones. Distintos mecanismos desencadenan estos movimientos rítmicos. En el Sol, es la convección en sus capas externas la que causa las oscilaciones. En estrellas más masivas, son resultado de la flotabilidad y de las fluctuaciones de presión en su interior, que actúan de forma parecida al aire dentro del tubo de un órgano: el sonido varía cuando el aire dentro del tubo es comprimido.

La Sismología Estelar o Astrosismología analiza las oscilaciones estelares para conocer el interior de estos objetos. Las ondas transportan información del medio que atraviesan y estudiándolas se puede inferir cuáles son sus propiedades físicas (densidad, temperatura y composición). Es un procedimiento similar al que aplica la sismología terrestre, que “sondea” el interior del planeta analizando los terremotos. Podemos recurrir a los instrumentos musicales para comprender mejor cómo trabaja esta ciencia. Comparemos los sonidos producidos por un violín, una viola, un chelo y un contrabajo. El tono más grave lo produce el contrabajo y el más agudo el violín. Cuanto más grande es el instrumento, más largas son las cuerdas y más grave el tono. De un modo similar, al aumentar la cavidad donde las oscilaciones estelares están atrapadas, disminuye la frecuencia de vibración observada, el “tono”, será menor. Si la onda está atrapada en una pequeña cavidad, la frecuencia de oscilación será mayor. Por esto suele hablarse de la “música de las estrellas”.

Los movimientos rítmicos de la estrella, sus oscilaciones, inducen variaciones en la luminosidad que se detectan con instrumentos (fotómetros o espectrógrafos) acoplados a un telescopio. Los periodos de oscilación varían según el tipo de estrella yendo de unos pocos minutos hasta varios días. Hay que monitorizar en continuo la estrella durante varias semanas, e incluso meses, en función de los períodos de oscilación, pues sólo la combinación de muchos datos tomados durante largo tiempo permite obtener las frecuencias de oscilación con gran exactitud.

El uso de telescopios en tierra parar acometer esta tarea presenta limitaciones. Una de las más importantes es que la estrella sólo puede ser observada de noche, con los consiguientes “agujeros” en las series de datos por el ciclo día-noche. Para contrarrestarla se realizan campañas multi-sitio: observatorios distribuidos por todo el mundo se relevan en el seguimiento de la estrella. Esto requiere mucho tiempo de observación. Como no es sencillo obtener tiempo de telescopio, se utilizan principalmente telescopios pequeños o dedicados exclusivamente a la Astrosismología. Me gustaría destacar la red global SONG (Stellar Observations Network Group), que constará de hasta ocho telescopios robóticos para hacer medidas astrosismológicas y caracterización de exoplanetas. Su prototipo, en construcción en el Observatorio del Teide, recibirá próximamente su primera luz. Otra gran limitación es la siempre cambiante atmósfera terrestre. Desde tierra, las variaciones de luminosidad de pequeña amplitud son distorsionadas por las fluctuaciones atmosféricas por lo que no pueden ser detectadas ni, por tanto, estudiadas.

En el espacio no existen estas restricciones. Gracias a misiones espaciales como MOST, CoRoT y Kepler, la Astrosismología vive una época dorada.

Kepler, que hizo posible el hallazgo de oscilaciones de tipo solar en la estrella HD 187547, sigue en continuo miles de estrellas y lo hará como mínimo durante tres años. Este satélite es capaz de detectar variaciones de luz miles de veces más pequeñas que las que se pueden apreciar desde tierra. Como resultado, para una estrella x revela hasta unos pocos cientos de frecuencias de oscilación (en lugar de las pocas decenas que se obtienen como máximo con instrumentos terrestres). En otras palabras, por primera vez podemos “escuchar la polifonía de las estrellas”. A partir de la música estelar, uno puede extraer información de las propiedades internas de las estrellas cotejando las frecuencias observadas con los modelos por ordenador. Otra gran ventaja de Kepler es que suministra series casi continuas para estrellas de masas diversas, en momentos distintos de sus vidas y con oscilaciones originadas por distintos mecanismos. Constituye una oportunidad única para poner a prueba y mejorar consecuentemente los modelos de estructura y evolución estelar, así como teorías que antaño no podían ser contrastadas con las observaciones por las limitaciones de los datos terrestres.

Las oscilaciones en las estrellas Delta-Scuti como HD 187547 son desencadenadas por un mecanismo opaco en la zona radiativa. Se había predicho, sin embargo, que su estrecha capa de convección externa debería tener la suficiente energía para provocar también otro tipo de oscilaciones parecidas a las encontradas en el Sol, que no habían podido ser observadas… hasta que llegó Kepler. Este satélite obtuvo de la estrella HD 187547 datos en continuo y de gran precisión que revelaron no sólo las oscilaciones típicas de las Delta-Scuti, también oscilaciones solares. Se demostró por vez primera que en una zona de convección extremadamente delgada pueden generarse oscilaciones de tipo solar. Ello ha permitido calibrar los modelos teóricos existentes para estas estrellas, así como realizar nuevos modelos de su interior con una precisión inédita.

Kepler está allí arriba esperando sorprendernos una vez más. ¿Llegaremos a conocer el interior de otros astros igual de bien (o mal) que el solar?

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El autor

Katrien Uytterhoeven es Doctora en Ciencias, especialidad Astrofísica, por la Universidad Católica de Lovaina (Bélgica). Tras trabajar en varios centros de investigación europeos, actualmente investiga en el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Participa en los proyectos por satélite CoRoT y Kepler, así como en SONG, una red global de telescopios robóticos.

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