El último ¡hurra! de una estrella moribunda

Dentro de miles de millones de años, cuando nuestro Sol se acerque al final de su vida y los núcleos de helio comiencen a fusionarse en su centro, se hinchará de forma espectacular y se convertirá en lo que se conoce como una estrella gigante roja. Tras tragarse a Mercurio, Venus y la Tierra sin apenas eructar, crecerá tanto que ya no podrá retener sus capas más externas de gas y polvo. 

En un glorioso desenlace, expulsará estas capas al espacio para formar un hermoso velo de luz, que brillará como un letrero de neón durante miles de años antes de desvanecerse. 

La galaxia está salpicada por miles de estas joyas conmemorativas, conocidas como nebulosas planetarias. Son la etapa final normal de las estrellas que van desde la mitad de la masa del Sol hasta ocho veces su masa. (Las estrellas más masivas tienen un final mucho más violento, una explosión llamada supernova). Las nebulosas planetarias presentan una impresionante variedad de formas, como sugieren nombres como el Cangrejo del Sur, el Ojo de Gato y la Mariposa. Pero por muy bellas que sean, también han sido un enigma para los astrónomos. ¿Cómo surge una mariposa cósmica del capullo redondo y aparentemente sin rasgos especiales de una estrella gigante roja?  

Las observaciones y los modelos informáticos apuntan ahora a una explicación que habría parecido descabellada hace 30 años: la mayoría de las gigantes rojas tienen una estrella compañera mucho más pequeña escondida en su abrazo gravitatorio. Esta segunda estrella da forma a la transformación en una nebulosa planetaria, del mismo modo que un alfarero da forma a una vasija en un torno. 

La teoría dominante sobre la formación de las nebulosas planetarias implicaba, anteriormente, a una sola estrella —la misma gigante roja—. Con solo una débil sujeción gravitatoria de sus capas exteriores, la estrella se desprende de masa muy rápidamente cerca del final de su vida, perdiendo hasta un 1% por siglo. También, bajo la superficie, se agita como una olla de agua hirviendo haciendo que las capas exteriores pulsen hacia dentro y hacia fuera. Los astrónomos han teorizado que estas pulsaciones producen ondas de choque que lanzan gas y polvo al espacio, creando lo que se denomina viento estelar. Sin embargo, se necesita una gran cantidad de energía para expulsar completamente este material sin que vuelva a caer en la estrella. Este viento no puede ser cualquier céfiro suave, debe tener la fuerza de un cohete. 

Después de que la capa exterior de la estrella haya escapado, la capa interior, mucho más pequeña, colapsa y se convierte en una enana blanca. Esta estrella, más caliente y brillante que la gigante roja de la que procede, ilumina y calienta el gas escapado, hasta que el gas empieza a brillar por sí mismo — y vemos una nebulosa planetaria—. Todo el proceso es muy rápido para los estándares astronómicos, pero lento para los estándares humanos: suele durar de siglos a milenios.  

Hasta el lanzamiento del telescopio espacial Hubble en 1990, “estábamos bastante seguros de que íbamos por buen camino” hacia la comprensión del proceso, dice Bruce Balick, astrónomo de la Universidad de Washington. Entonces, él y su colega Adam Frank, de la Universidad de Rochester en Nueva York, estaban en una conferencia en Austria y vieron las primeras fotos del Hubble de nebulosas planetarias. “Salimos a tomar un café, vimos las fotos y supimos que el juego había cambiado”, dice Balick.  

Los astrónomos habían asumido que las gigantes rojas eran esféricamente simétricas; y una estrella redonda debería producir una nebulosa planetaria redonda. Pero eso no es lo que vio el Hubble, ni cerca. “Se hizo evidente que muchas nebulosas planetarias tienen exóticas estructuras axisimétricas”, dice Joel Kastner, astrónomo del Instituto Tecnológico de Rochester. El Hubble reveló lóbulos fantásticos, alas y otras estructuras que no eran redondas, sino que eran simétricas en torno al eje principal de la nebulosa, como si hubieran girado en el torno de un alfarero. 

Un artículo publicado en 2002 por Balick y Frank en el Annual Review of Astronomy and Astrophysics recogió el debate de entonces sobre el origen de estas estructuras. Algunos científicos propusieron que la simetría axial se debía a la forma de rotación de la estrella gigante roja o al comportamiento de sus campos magnéticos, pero ambas ideas no superaron algunas pruebas fundamentales. Tanto la rotación como los campos magnéticos deberían debilitarse a medida que la estrella crece, y, sin embargo, la tasa de pérdida de masa de las gigantes rojas se acelera al final de su vida.  

La otra opción era que la mayoría de las nebulosas planetarias no están formadas por una estrella, sino por un par de estrellas — lo que Orsola De Marco, astrónoma de la Universidad Macquarie de Sidney, denominó la “hipótesis binaria”—. En esta hipótesis, la segunda estrella es mucho más pequeña y miles de veces más débil que la gigante roja, y podría estar tan lejos como Júpiter lo está del Sol. Eso le permitiría perturbar a la gigante roja y, al mismo tiempo, estar lo suficientemente alejada como para no ser engullida. (También existen otras posibilidades, como una órbita de bombardeo en picada en la que la segunda estrella se acercaría a la gigante roja cada pocos cientos de años, desprendiendo capas de ella). 

La hipótesis de la binaria explica muy bien la primera etapa de la metamorfosis de una estrella moribunda. A medida que la compañera aleja el polvo y los gases de la estrella primaria, estos no son absorbidos inmediatamente por la compañera, sino que forman un disco arremolinado de material conocido como disco de acreción en el plano orbital de la compañera. Ese disco de acreción es el torno del alfarero. Si el disco tiene un campo magnético, impulsará cualquier gas cargado fuera del plano del disco y hacia el eje de rotación. Pero incluso sin un campo magnético, el material del disco impide el flujo de los gases hacia el exterior en el plano orbital, por lo que el gas adoptará una estructura bilobulada, con un flujo más rápido hacia los polos. Y eso es justo lo que vio el Hubble en sus imágenes de nebulosas planetarias. “¿Por qué buscar una explicación realmente complicada cuando una estrella compañera lo explica muy bien?”, dice De Marco.  

Sin embargo, la idea de las estrellas compañeras indetectables no sentó bien con algunos astrónomos. Todavía en 2020, escribe Leen Decin, astrónoma de la KU Leuven en Bélgica, un famoso astrofísico le dijo: “Sabes, Leen, todo parece tan fantástico, las observaciones son tan fascinantes, los modelos actuales de última generación parecen hacer un trabajo bastante bueno para interpretar los datos, pero al final, ¿no deberíamos creer solo lo que realmente podemos ver?”

Pero en los últimos 10 o 15 años, la marea ha cambiado constantemente. Nuevos e innovadores telescopios han revelado que algunas gigantes rojas están rodeadas de estructuras espirales y discos de acreción antes de convertirse en nebulosas planetarias —tal y como se esperaría si hubiera una segunda estrella que arrancara material de la gigante roja—. En un par de casos, es posible que los astrónomos hayan detectado incluso la propia estrella compañera.  

Decin y sus colegas han recurrido especialmente al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en Chile, que entró en funcionamiento en 2011. ALMA consta de 66 radiotelescopios que trabajan juntos para producir imágenes de objetos astronómicos. “Nos proporciona una alta resolución espacial y espectral que es importante si se quiere entender la dinámica y la velocidad”, dice Decin. La velocidad es una parte importante del rompecabezas para que los científicos puedan cartografiar los vientos estelares y los discos de acreción. 

ALMA ha observado estructuras en forma de espiral o de arco alrededor de más de una docena de estrellas gigantes rojas, casi con toda seguridad una señal de que la materia se está desprendiendo de la gigante roja y se dirige en espiral hacia su compañera. Las espirales coinciden con las simulaciones por computadora y son imposibles de explicar con el viejo modelo de viento estelar. Decin informó de los hallazgos iniciales en 2020 en Science y los amplió al año siguiente en el Annual Review of Astronomy and Astrophysics.  

Además, es posible que el grupo de Decin haya detectado en las imágenes de ALMA las compañeras hasta ahora indetectables de dos gigantes rojas, p1 Gruis y L2 Puppis. Para asegurarse, tiene que seguirlas durante un periodo de tiempo para ver si los objetos recién detectados se mueven alrededor de la estrella primaria. “Si se mueven, estoy segura de que tenemos compañeros”, dice Decin. Tal vez este descubrimiento convenza a los últimos escépticos.  

Al igual que los investigadores de una escena de crimen, los astrónomos disponen ahora de instantáneas del “antes” y el “después” de la creación de una nebulosa planetaria. Lo único que les falta es el equivalente a las imágenes de un circuito cerrado de televisión del acontecimiento en sí. ¿Hay alguna esperanza de que los astrónomos puedan captar una gigante roja en el acto de convertirse en una nebulosa planetaria?  

Hasta ahora, los modelos informáticos son la única forma de “ver” cómo se desarrolla el proceso, que dura siglos, de principio a fin. Estos han ayudado a los astrónomos a localizar un escenario dramático, en el que la estrella compañera se sumerge en la primaria tras un prolongado periodo de orbitarla y perder distancia debido a las fuerzas de marea. A medida que avanza en espiral hacia el núcleo de la gigante roja, la compañera desprende “una cantidad demencial de energía gravitatoria”, dice Frank. Los modelos informáticos muestran que esto acelera enormemente el proceso por el que la estrella se desprende de sus capas exteriores, a solo uno o diez años. Si esto es correcto, y si los astrónomos supieran dónde mirar, podrían presenciar la muerte de una estrella y el nacimiento de una nebulosa planetaria en tiempo real. 

Una candidata a la que hay que prestar atención se llama V Hydrae. Esta estrella gigante roja, muy activa, expulsa cúmulos de plasma en forma de bala hacia sus polos cada 8,5 años, y también ha expulsado seis grandes anillos en su plano ecuatorial en los últimos 2.100 años. Raghvendra Sahai, astrónomo del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA que publicó el descubrimiento de los anillos en abril, cree que la gigante roja no tiene una, sino dos estrellas compañeras. Es posible que una compañera cercana esté rozando la envoltura de la gigante roja y produciendo las eyecciones de plasma, mientras que una compañera lejana en una órbita de bombardeo controla la eyección de los anillos. De ser así, V Hydrae podría estar cerca de engullir a su compañera más cercana.  

Por último, ¿qué pasa con nuestro Sol? Los estudios de las estrellas binarias podrían parecer poco relevantes para el destino de nuestra estrella, ya que se trata de una solitaria. Las estrellas con compañeras pierden masa entre seis y diez veces más rápido que las que no la tienen, según estimaciones de Decin, porque es mucho más eficiente que una estrella compañera arranque la envoltura de una gigante roja a que la gigante roja empuje hacia afuera a su propia envoltura. 

Esto significa que los datos sobre las estrellas con compañeras no pueden predecir de forma fiable el destino de las estrellas sin compañeras, como el Sol. Aproximadamente la mitad de las estrellas del tamaño del Sol tienen compañeras de algún tipo. Según Decin, la compañera siempre afectará la forma del viento estelar, y afectará significativamente la tasa de pérdida de masa si la compañera está lo suficientemente cerca. Lo más probable es que el Sol expulse su capa exterior más lentamente que esas estrellas y que permanezca en su fase de gigante roja por mucho más tiempo. 

Pero aún se desconoce mucho sobre el último acto del Sol. Por ejemplo, aunque Júpiter no sea una estrella, podría ser lo suficientemente fuerte como para atraer material del Sol y alimentar un disco de acreción. “Creo que tendremos una espiral muy pequeña creada por Júpiter”, dice Decin. “Incluso en nuestras simulaciones se puede ver su impacto en el viento solar”. Si es así, también nuestro Sol podría estar en camino de un gran final vistoso.

Artículo traducido por Debbie Ponchner

Read this in English