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Ciencia

Estornudos cósmicos

Astrofísicos describen la evolución de chorros de gases de 10 años luz de longitud

Las imágenes que aparecen en la pantalla de la computadora hacen pensar en el movimiento de un cometa -una enorme estela brillante y colorida que parece surcar los cielos. No obstante, las semejanzas entre los comentas, esas nubes de hielo y polvo que viajan alrededor del Sol, y los chorros supersónicos astrofísicos -nubes de gases eyectadas violentamente por estrellas en formación y por núcleos de galaxias lejanas y muy brillantes, llamadas quásares- se detienen por ahí. Los chorros liberados por las protoestrellas -estrellas en formación- viajan a una velocidad cercana a los 400 kilómetros por segundo, el equivalente a decenas de veces la velocidad del sonido en el medio interestelar, y pueden llegar a tener una longitud de hasta diez años luz (un año luz corresponde a 9,5 billones de kilómetros).

En tanto, los chorros extragalácticos se desplazan a velocidades cercanas a la de la luz (300 mil kilómetros por segundo) y se extienden por millones de años luz, el equivalente a decenas de veces el diámetro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. “Los chorros cargan consigo las impresiones digitales de embriones de estrellas”, afirma Elisabete de Gouveia Dal Pino, una de las coordinadoras de un equipo del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG/USP), que desde hace diez años estudia el origen, el comportamiento y las peculiaridades de estos objetos celestes. “A medida en que vamos develando sus enigmas, logramos entender mejor cómo se forman las estrellas”.

Cabe recordar que de la fusión de elementos químicos en el seno de las estrellas surgió la materia prima de todos los seres vivos. Por tanto, el hecho de investigar los chorros y las estrellas implica buscar nuestros orígenes más remotos. El grupo de la USP, coordinado por Elisabete y por Jorge Horvath, ha obtenido resultados pioneros en el estudio de los fenómenos astrofísicos de alta energía, que comprenden el mecanismo de explosión de las supernovas, estrellas de neutrones y brotes de rayos gama.

El año pasado, los investigadores paulistas sorprendieron a europeos y estadounidenses que actúan en esa misma área, al concluir la primera simulación hidrodinámica en computadora de un chorro gigante protoestelar bastante estudiado, el HH-34, situado al sur de la nebulosa de Orión, a alrededor de 1.600 años luz de la Tierra. El universo recreado en la computadora reveló que el HH-34 corresponde a ese tipo de chorro inmenso: tiene cerca de 10 años luz de punta a punta.

Un gigante que es aún mayor
De esta manera se confirman los resultados obtenidos algunos años antes por otro grupo de investigación. Entre 1994 y 1997, los astrónomos John Bally, David Devine, Bo Reipurth y Steve Heathcote, de Estados Unidos, observaron una cadena de pequeños nudos brillantes de gas, alineados con el chorro HH-34, que a la época era tenido aún como pequeño. Se creía que estos nódulos eran independientes, pero los físicos demostraron que eran a decir verdad eyectados por la misma protoestrella, formando lo que parecía ser un chorro gigante.

“Nuestras simulaciones numéricas reprodujeron en forma bastante fiel las observaciones, y no dejaron dudas acerca de que, de hecho, se trata de una sola estructura, un megachorro”, comenta Elisabete, una de las autoras del artículo que informa en detalle sobre los resultados, publicado en julio de 2002 en Astrophysical Journal. Este chorro gigante, de formato sinuoso, había causado revuelo antes, en el marco de los estudios relativos a la formación de las estrellas. Según se conocía, los chorros de protoestrellas parecían tener menos de un décimo del tamaño del HH-34, aun cuando éste aparecía solo y aislado de los nódulos hoy en día vistos como partes de su cuerpo.

Este trabajo, que cuenta con el apoyo de la FAPESP, representa una mirada precisa sobre los chorros astrofísicos con base en el HH-34. Ahora se sabe que en su estructura existen nódulos, que los investigadores atribuyen al hecho de que la estrella en formación libera gases de manera intermitente, no continua. El estudio detalla la evolución del chorro, desde los momentos iniciales de su formación hasta su expulsión, y su interacción con el gas del medio interestelar, en el transcurso de sus 10 mil años de vida. Beneficiado por esta descripción minuciosa, el HH-34 se convirtió en una referencia científica del comportamiento de chorros astrofísicos.

El grupo de la USP se concentra en el estudio de los chorros de protoestrellas por una razón fundamental: este tipo de chorro es bastante común en regiones vecinas a las formaciones de estrellas, dentro de nuestra propia galaxia. Y son, por lo tanto, más fácilmente observables que el segundo grupo de chorros, los extragalácticos, eyectados por quásares -núcleos de galaxias distantes, con agujeros negros que tienen una masa alrededor de 100 millones de veces mayor que la del Sol. Pese a las diferencias de orígenes, tamaño y velocidad, los chorros extragalácticos presentan formas y comportamiento muy similares a los de los chorros de las protoestrellas”, dice la investigadora. “Las informaciones obtenidas en el marco del estudio de las formaciones protoestelares ayudan en gran medida a comprender los fenómenos que se suscitan también en regiones extragalácticas remotas.”

Y su historia de vida no es muy distinta. En el caso de las protoestrellas, la nube de gases primordiales -hidrógeno, helio y oxígeno- se condensa bajo la acción de su gravedad, y hace surgir un nódulo central, que dará origen a la estrella, que está rodeado por un disco de gas, que gira con una rotación cada vez más rápida. Cuando la rotación llega a un determinado límite de velocidad, a punto tal de impedir que la condensación continúe, la estrella eyecta violentamente nubes de gases por el eje de rotación. Así se forma el chorro y, al mismo tiempo, disminuye la velocidad de rotación, tanto la de la nube como la de la estrella. Como consecuencia de ello, la condensación de la protoestrella continua, resultando en una estrella madura como el Sol.

Pero el trayecto del chorro que abandonó la estrella no siempre es tranquilo. Si entra en colisión con otras nubes de gases, el chorro forma ondas de impacto supersónico conocidas como bowshocks, interactúa con el medio interestelar y deposita en dicha región parte del material que llevó consigo al salir de la estrella -un espectáculo de brillo y color. En ese momento, los chorros actúan como abejas, es decir, transportan semillas de estrellas y “polinizan” regiones distantes del lugar en el que fueron generados. Según la investigadora, un chorro puede inducir el nacimiento de una estrella cuando colisiona contra una nube con masa suficiente para hacer implosión -o, en la jerga técnica, entrar en colapso gravitacional. Los chorros mayores pueden incluso destruir la nube gigante que los hospeda. “Es posible que suceda así, pero no existen evidencias producto de observaciones directas”, dice con cautela la investigadora.

La propia Elisabete, en 1993, mientras realizaba su posdoctorado en la Universidad de Harvard, Estados Unidos, desarrolló una de las técnicas empleadas en la simulación computacional de chorros astrofísicos, en conjunto con el físico suizo Willy Benz, a la época investigador visitante de Harvard. Hasta entonces, los cálculos se basaban en la integración numérica de las ecuaciones hidrodinámicas del chorro, con el dominio computacional -el espacio virtual que simula el espacio real- dividido en una red de puntos fijos.

Esta nueva técnica, llamada SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics, o Hidrodinámica de Partículas Suavizadas), reemplaza a la red por partículas que se mueven junto con el fluido. Este cambio le imprimió mayor rapidez y viabilidad a las simulaciones hechas en computadoras más modestas, como las que la investigadora tuvo que volver a usar de regreso a Brasil, ese mismo año.

La recreación del universo
La realidad virtual logra reproducir con una fidelidad cada vez mayor lo que ocurre en el universo. En la computadora, el gas del medio interestelar es representado por una caja en forma de paralelepípedo llena de gas. En su base hay un orificio, por donde el chorro de la protoestrella es inyectado. Allí dentro el chorro es acelerado supersónicamente, y forma los nódulos de gas, que se mueven a velocidad supersónica e interactúan con el gas del medio interestelar.

Los resultado, obtenidos en conjunto con Alex Raga, de la Universidad Autónoma de México; Elena Masciadri, del Instituto de Astronomía Max Plank, de Heidelberg, Alemania, y Adriano Cerqueira, de la Universidad Estadual de Santa Cruz, Bahía, son posteriormente comparados con las observaciones astronómicas, en particular aquéllas obtenidas desde el telescopio europeo ESO, emplazado en la La Silla, Chile, y por el telescopio espacial Hubble, las dos habituales fuentes de información del grupo. A medida en que consolida el conocimiento sobre los chorros astrofísicos, el equipo se sumerge en el disco de gas que forma los chorros, en busca de pormenores de los fenómenos que suceden en las regiones más cercanas a la estrella en formación. Los resultados a los que arriban los investigadores surgen en un momento en el que pululan nuevas informaciones sobre el propio universo.

Los astrofísicos trabajan intensamente sobre esa harto cuantiosa materia prima captada por el satélite estadounidense Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), que en el primer lote de resultados, en febrero pasado, estimó la edad del universo en 13.700 millones de años, un destino marcado -expandirse para siempre- y límites estimados actualmente en 15 mil millones de años luz. “Tras centenas de años en las que las observaciones hechas con los telescopios solamente lograban llegar al patio trasero de nuestra galaxia, ahora estamos viendo cada vez más lejos”, destaca la investigadora. “La astronomía ya salió de la adolescencia, ha llegado a su madurez.”

El Proyecto
Investigación de Fenómenos Astrofísicos de Alta Energía
Modalidad
Proyecto temático
Coordinadora
Elisabete de Gouveia Dal Pino – IAG/ USP
Inversión
R$ 294.713,73

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