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Astrofísica

La polvareda de las estrellas

La distribución de elementos químicos revela detalles de la estructura y la evolución de la Vía Láctea

Blanco como la leche: tramo de la Vía Láctea (a la derecha) vista desde el Observatorio Interamericano Cerro Tololo  en los Andes chilenos

ROGER SMITH/AURA/NOAO/NSFBlanco como la leche: tramo de la Vía Láctea (a la derecha) vista desde el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en los Andes chilenosROGER SMITH/AURA/NOAO/NSF

Lejos de los centros urbanos se puede ver en estos meses de primavera, poco después de la puesta del sol, una vasta franja muy brillante arriba del horizonte. Ese rastro luminoso en el cielo es un tramo de la Vía Láctea, la galaxia que contiene al Sol y los planetas que giran a su alrededor. Con casi 200 mil millones de estrellas, tiene la forma de una inmensa polvareda girando, como un remolino cósmico. Pero no siempre fue así. Al inicio del Universo, hace 14 mil millones de años, la Vía Láctea no pasaba de una gigantesca nube de gas que poco a poco  se fue adensando aquí y allá y generando estrellas y planetas. Incluso con el avance de la astronomía en el último siglo y la producción de telescopios cada vez más potentes, aún hoy astrónomos de todo el mundo intentan comprender cómo esa transformación ocurrió y la Vía Láctea alcanzó su forma actual, con tres regiones bastante distintas: el núcleo, la zona central en forma de globo que concentra centenas de millones de estrellas; un vasto disco achatado de estrellas, gas y polvo; y una tercera estructura esférica que envuelve a las otras dos, el halo, donde las estrellas son más raras y el gas y el polvo son escasos.

Con la intención de comprender como se originaron esos cimientos de la galaxia, el equipo del astrónomo Walter Junqueira Maciel, de la Universidad de São Paulo (USP), desde hace más de una década investiga la composición química de diferentes puntos de la Vía Láctea. En los últimos años el grupo arribó a conclusiones que, obviamente, no lo explican todo, pero permiten tener una idea más precisa de como esas tres estructuras se formaron y evolucionaron desde su surgimiento alrededor de mil milones de años después del Big Bang, la explosión que habría generado el Universo.

¿Cómo tuvo lugar esa evolución? En principio, de manera bastante distinta para esas tres regiones de la galaxia, dice Maciel. Las esparcidas estrellas que hoy pueblan el halo se formaron muy rápidamente hace cerca de 13 mil millones de años, extinguiendo casi todo el gas que había en el entorno de la Vía Láctea. Casi al mismo tiempo el núcleo comenzó a estructurarse. Centenas de veces menor que el halo pero con densidad de gas mucho más elevada, el núcleo posiblemente presentó dos períodos de formación de estrellas: el primero con algunos millones de años de duración y el segundo, mucho más largo. Sólo algunos mil millones de años más tarde es que inició el espesamiento de gas que daría origen al disco, concluyeron los investigadores a partir de observaciones de la composición química de la galaxia.

La razón por la que los investigadores del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la USP decidieron medir la concentración y la variedad de diferentes elementos químicos es sencilla. Todo lo que existe en el Cosmos y puede ser observado los planetas, las estrellas, las nubes de gas, el polvo y también los seres vivos es formado por diferentes combinaciones de los 116 elementos químicos que se conocen y están organizados en la tabla periódica presentada en las clases de química del colegio. Esos elementos no surgieron todos al mismo tiempo. En los primeros instantes después el Big Bang se formaron los átomos de hidrogeno, el elemento químico más abundante de la naturaleza y también el más simples, compuesto por una partícula de carga positiva (protón) y una de carga negativa (electrón). Esa explosión primordial también generó parte del helio, compuesto por dos protones, dos electrones y dos partículas sen carga eléctrica (neutrones), además de una cantidad infinitamente pequeña de litio-7 (tres protones, cuatro neutrones y tres electrones). Los demás elementos químicos nacieron muy lentamente sobre todo por fusión nuclear, recombinación forzada de protones que solo ocurre a presiones y temperaturas elevadísimas como las alcanzadas en el interior o en explosiones de estrellas.

Como en las otras galaxias, también en la Vía Láctea centenas de miles de millones de estrellas funcionan como reactores nucleares que en sus entrañas transforman átomos de hidrógeno y de helio en elementos más pesados. La consecuencia de ese proceso ininterrumpido es el aumento progresivo de la cantidad de esos elementos en la galaxia, produciendo materia prima para más estrellas, planetas y la vida que algunos de ellos puedan abrigar. De ese modo, sabiendo la cantidad de esos elementos más pesados en diferentes puntos de la galaxia y en momentos distintos de su vida, es posible descubrir como la composición y la forma da Vía Láctea evolucionaron a través de los tiempos, toda vez que se conoce la velocidad en que nacen y mueren las estrellas.

Lejos de casa: galaxia espiral similar a la Vía Láctea

VLT/ESOLejos de casa: galaxia espiral similar a la Vía LácteaVLT/ESO

En la saga de reconstruir el pasado de la Vía Láctea, Maciel necesitaba entonces encontrar las fuentes de elementos químicos pesados más adecuadas entre los 200 mil millones de estrellas de nuestra galaxia, que en el cielo fácilmente se confunden con las de galaxias próximas. Esos elementos químicos son abundantes en las nebulosas planetarias. De rara belleza, esos objetos, que pueden asumir la forma de ojo, de ampolleta o de raya, son el registro de la agonía final de una estrella que ya transformó todo el hidrógeno de su núcleo en elementos químicos más pesados.

Así llamadas por el astrónomo inglés William Herschel porque al telescopio recuerdan el planeta Urano, las nebulosas planetarias nada tienen que ver con planetas. Son importantes porque guardan informaciones de un pasado distante del Universo. Después de quemar sus existencias de hidrógeno por períodos que en general varían de mil millones a 10 mil millones de años, estrellas como el Sol se hinchan rápidamente y lanzan sus camadas más externas para el medio interestelar, liberando una nube de gas y polvo rica en carbono, nitrógeno y oxígeno. Generadas a partir de estrellas con masa semejante o un poco superior a la del Sol, las nebulosas planetarias exhiben elementos producidos por la estrella que las formó. Los demás elementos que lanzan al espacio fueron producidos por la generación anterior de estrellas, que vivieron hasta 10 mil millones de años antes. Analizar la composición de las nebulosas planetarias es mirar para el pasado distante de la galaxia, próximo al inicio de su formación, dice el astrónomo sureño Roberto Dias da Costa, del IAG, que desde 1987 trabaja en sociedad con Maciel.

Usando el telescopio de 1,60 metro del Laboratorio Nacional de Astrofísica, en Brasópolis, Minas Gerais, y datos de catálogos, Maciel y el astrónomo Hélio Rocha Pinto iniciaron hace diez años la búsqueda de esas fábricas de elementos químicos en la vecindad del Sistema Solar, localizado en el disco de la galaxia a poco más de medio camino entre el centro y la extremidad. Más recientemente, con el apoyo de un telescopio del Observatorio Europeo del Sur (ESO), en Chile, Maciel, Costa y los astrónomos Monica Uchida, André Escudero, Leonardo Lago y Cíntia Quireza expandieron esa búsqueda a toda la región del disco de la Vía Láctea que puede ser observada del hemisferio Sur. De cerca de 2 mil nebulosas planetarias conocidas en la galaxia, consiguieron determinar con bastante precisión la concentración de los elementos químicos oxigeno, azufre, neón y argón en 240 de ellas, diseminadas desde el núcleo hasta casi el extremo del disco.

Pero las concentraciones o abundancias químicas reveladas por las nebulosas se refieren a períodos que varían de 10 mil millones a 2 mil millones de años atrás. Para saber como son hoy, el equipo del IAG comparó los datos de las nebulosas planetarias con los de otras estructuras de la galaxia llamadas regiones HII. Del punto de vista físico, las nebulosas planetarias y las regiones HII son muy parecidas, ya que ambas son nubes de gas calentado por las estrellas, cuenta Maciel. Pero las semejanzas acaban ahí. De 20 a 40 veces más extensas que las nebulosas planetarias, las regiones HII abrigan a decenas de estrellas en formación y muestran como es la composición química de la galaxia en los últimos millones de años, tiempo reciente para los astrónomos. Analizadas en conjunto, las informaciones de las nebulosas planetarias y de las regiones HII revelan detalles sobre la evolución química de la galaxia, presentados en una serie de artículos publicados en los últimos años, varios de ellos en la revista Astronomy and Astrophysics.

Evaluando la composición de casi 500 nebulosas planetarias del núcleo cerca de 100 observadas por ellos y otras 400 por otros investigadores, Escudero, Costa y Maciel constataron que en esa estructura con diámetro correspondiente a un décimo de la extensión de la galaxia surgieron familias de estrellas mucho más variadas de lo que se imaginaba, con edades bastante distintas ? de aquellas con masas decenas de veces más elevadas que la del Sol y ciclos de vida unos pocos de millones de años a estrellas de masa muy pequeña y evolución lenta, casi contemporáneas al inicio del Universo.

Hábil en informática, Escudero desarrolló un programa de computador capaz de simular como esa región de la galaxia se habría desarrollado. El escenario que correspondió mejor a las concentraciones de elementos químicos observadas es el que indica el desarrollo del centro en dos estadios principales. Inicialmente hubo un colapso rápido de gas que en pocos millones de años originó un número grande de estrellas con masa elevada. Se calcula que parte de esas estrellas evoluciono rápidamente y explotó, lanzando elementos químicos pesados en dirección al halo y al disco de la galaxia, aún en estadio embrionario. Entre mil millones y 3 mil millones de años más tarde, parte de ese material eyectado es atraída de vuelta al núcleo, alimentando la formación más lenta de una nueva generación de estrellas, más enriquecida en elementos químicos que la generación anterior, sugieren los investigadores en un artículo que será publicado en breve en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Pero ese modelo del núcleo no permite saber cuánto gas fue eyectado del centro ni cuánto duró esa fase. Eso sólo podrá ser definido con datos más precisos y modelos más realistas, escribe Escudero. Maciel espera conseguir datos más precisos cuando el aparato usado para identificar los elementos químicos (espectrógrafo) del telescopio Soar, en Chile, entre en funcionamiento.

En el disco, el desarrollo parece haber sido mucho más lento, pero constante. Monica, Costa y Maciel compararon la concentración de elementos químicos pesados de nebulosas planetarias con tiempos de evolución variados alrededor de 10 mil millones, 6 mil millones y mil millones de años. Verificaron que la concentración de los elementos más pesados disminuye progresivamente en la medida que se va del centro para la periferia de la galaxia. También la tasa en que ocurre esa reducción  cambió con el tiempo: fue más intensa en el pasado que más recientemente. A partir de lo que pasó con esa población de estrellas, los astrónomos imaginan que el disco se fue formando del centro rumbo a la periferia. Esa idea es compatible con la observación de las nebulosas. Las más antiguas se concentran más próximas al centro, mientras que las más jóvenes son encontradas cerca del núcleo, pero también muy distantes de allí. En esa región más distante del centro galáctico, la formación de estrellas debe haber sido más lenta, comenta Costa.

Esos datos corroboran las previsiones hechas por dos modelos matemáticos de evolución de la Vía Láctea uno desarrollado por astrónomos franceses, que atribuyen a la evolución química de la galaxia un peso mayor para determinar su estructura actual, y otro creado por italianos, según el cual la Vía Láctea alcanzó la forma que tiene en consecuencia del movimiento de estrellas, planetas y nubes de gas y polvo. Todos están de acuerdo, pero solamente hasta la vecindad del Sistema Solar. La principal duda es como el disco se comporta a partir de ahí, en dirección a la extremidad de la galaxia. Necesitamos  información sobre más nebulosas planetarias de esa región, que es más fácilmente observada del hemisferio Norte, comenta Costa. Mientras esos datos no se vuelven disponibles, Mónica Uchida intentará comprender lo que pasa en esa región de la galaxia usando otra estrategia. En 2008 ella pasará una temporada con el equipo de Francesca Matteucci, en Trieste, Italia, estudiando la composición química de galaxias espirales semejantes a la Vía Láctea. Intentará así descubrir a partir de la observación de otras galaxias como la Vía Láctea alcanzó su estadio actual.

El Proyecto
Nebulosas fotoionizadas, estrellas y evolución química de galaxias
Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
Walter Junqueira Maciel – IAG/ USP
Inversión
95.194,57 reales

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