Para entender mejor de qué manera se mueve dentro de las estrellas la materia en forma de gas caliente y ionizado, un equipo internacional encabezado por el astrónomo peruano Jorge Meléndez, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (USP), comparó las cantidades de los elementos químicos berilio y litio observadas en la superficie del Sol y de otras siete estrellas similares encontradas en la Vía Láctea. “No podemos ver el interior de las estrellas, vemos solamente la luz de sus capas exteriores”, explica Marcelo Tucci Maia, alumno de doctorado de Meléndez y primer autor del nuevo estudio, publicado en marzo de 2015 en la revista Astronomy & Astrophysics. “La abundancia de estos elementos funciona como una sonda que sirve para investigar qué sucede en el interior estelar.”
La conclusión del estudio indica que la materia existente en la superficie de estrellas parecidas al Sol puede mezclarse con la de capas más profundas que lo que muchos científicos imaginaban, pero no tan profundas como otros planteaban. Meléndez y sus colegas echaron mano del Very Large Telescope (VLT), del Observatorio Europeo Austral (ESO), emplazado en Cerro Paranal, Chile, para observar el Sol y otras siete estrellas, elegidas porque poseen masas y composiciones químicas muy similares a las solares, pero con edades bastante diferentes. Mientras que el Sol tiene 4.600 millones de años de edad, la estrella más joven del estudio tiene sólo 500 millones de años, y la más anciana, 8.200 millones de años. “Es como si pudiéramos hacer un seguimiento de la evolución del Sol, desde que era muy joven hasta una edad muy avanzada”, explica Tucci Maia.
El equipo de Meléndez ya había publicado otros estudios sobre estos mismos astros, y había demostrado que, cuan más antigua sea la estrella, menos litio tendrá sobre su superficie. Esos resultados confirmaron indicaciones de estudios anteriores que indicaban que estrellas similares al Sol destruyen litio a medida que envejecen.
La mayor parte del litio del Universo surgió en el origen de los tiempos, con la explosión del Big Bang, hace alrededor de 13.600 millones de años. Considerado un elemento relativamente frágil, el litio es destruido por diversos tipos de reacciones nucleares que ocurren en el interior de las estrellas a temperaturas superiores a los 2,5 millones de grados Celsius. Dentro del Sol, de acuerdo con los modelos estándar de evolución estelar, temperaturas tan altas solamente ocurren a grandes profundidades, cerca del núcleo, en una región llamada zona radiactiva. La temperatura en la zona radiactiva varía de 15 millones de grados, cerca del núcleo, a 1,5 millones de grados, más externamente. Arriba de la capa radiactiva, en la llamada zona convectiva, la temperatura disminuye gradualmente desde 1,5 millones de grados hasta llegar a 6 mil grados en la superficie de la estrella.
En la zona radiactiva, la energía producida en el núcleo mediante la fusión de elementos químicos (fusión nuclear) es transportada a regiones más externas por las partículas de luz (fotones), mientras que la materia permanece relativamente inmóvil. En tanto, en la zona convectiva, el transporte de energía es distinto. La materia se calienta en los alrededores de la zona radiactiva y sube hasta cerca de la superficie, donde libera calor y se hunde nuevamente.
Hasta hace poco, los astrónomos suponían que la materia de la zona radiactiva no se mezclaba con la materia de la zona convectiva. Sin embargo, las observaciones de Meléndez y sus colaboradores indican que esto ocurriría de algún modo; de lo contrario, no sería posible explicar la desaparición del litio en la superficie de las estrellas. Otros investigadores vienen modificando las ecuaciones matemáticas que describen la estructura interna de las estrellas para tener en cuenta otros fenómenos físicos que harían posible el transporte del material de la zona convectiva hasta regiones más profundas y calientes. Con todo, aún debaten cuáles serían esos fenómenos. Algunos alegan que esa mezcla adicional sería provocada por la rotación de la estrella. Y están los que imaginan que otros procesos, tal como es el caso del patrón de difusión de los núcleos atómicos a un nivel microscópico, podrían ser más importantes.
Para echar alguna luz en este debate, Tucci Maia, Meléndez y sus colegas decidieron analizar la abundancia de otro elemento químico frágil: el berilio. Al igual que el litio, el berilio se destruye debido a nucleares. Pero sólo debido a aquéllas que ocurren a 3,5 millones de grados. “El berilio es uno de los elementos químicos más difíciles de observar, dado que resulta también difícil aislar su firma en la luz de la estrella”, dice Tucci Maia.
De acuerdo con el estudio publicado en Astronomy & Astrophysics, la superficie de una estrella con el porte del Sol pierde muy poco berilio en el transcurso de su evolución. Según Tucci Maia, esta característica que el grupo ha medido ahora, establece una profundidad máxima en la cual puede concretarse la mezcla del material de la zona radiactiva con el de la zona convectiva. Dicha mezcla ocurriría a profundidades en las cuales la temperatura llega a los 2,5 millones de grados, y no iría mucho más allá: se detendría en la región en que llega a los 3,5 millones de grados. Este comportamiento permitiría explicar por qué a lo largo de la vida de esas estrellas casi no se produce la destrucción de berilio, consumido a temperaturas más elevadas, al tiempo que sí se destruye una proporción mayor de litio.
Este resultado ya ha ayudado a descartar uno de los modelos astrofísicos de evolución de estrellas como el Sol. Pero la incertidumbre en las observaciones todavía no hace posible distinguir cuál sería el modelo más correcto entre los varios existentes. El equipo de Meléndez espera aclarar mejor esta cuestión al incluir en sus análisis los datos de otras nueve estrellas similares al Sol, observadas en julio de 2015 con el telescopio japonés Subaru, instalado en el monte Mauna Kea, en Hawái, Estados Unidos.
Proyecto
High precision spectroscopy: impact in the study of planets, stars, the galaxy and cosmology (nº 2012/24392-2); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Jorge Luis Meléndez Moreno (IAG-USP); Inversión R$ 337.292,40 (para todo el proyecto).
Artículo científico
TUCCI MAIA, M. et al. Shallow extra mixing in solar twins inferred from Be abundances. Astronomy & Astrophysics. v. 576. abr. 2015.
