¿En qué se parecen los cuentos de hadas y la Astronomía? Digamos que los cuentos son relatos llenos de fantasía, mientras que la Astronomía es una ciencia rigurosa. Pero, aunque no parezca haber puntos de contacto, las antiguas historias infantiles han sido fuente de inspiración para muchas ideas astronómicas. Cuentos como “Blancanieves y los 7 enanitos”, “Las habichuelas mágicas” o “Pulgarcito” son protagonizados por príncipes, bellas damas, enanos y, en el rol de malos, brujas, gigantes y ogros. Graciosamente, en Astronomía también hay enanos y gigantes. De hecho, hoy consideramos que nuestro Sol es una estrella “enana”, al igual que Sirius, α Centauri, Vega y muchas otras estrellas que destacan en nuestro cielo. ¿Acaso por ser enanas, son pequeñas estas estrellas? ¡Nada de eso! Dentro del Sol cabrían 1.300.000 planetas Tierra. La idea de llamar “enanas” a algunas estrellas surge de una comparación con otra clase de estrellas: las llamadas “gigantes” (también personajes frecuentes de las historias fantásticas). Las estrellas gigantes como Aldebarán, la estrella más brillante de la constelación de Tauro, son increíblemente grandes. ¡Deberíamos poner 10.000 soles para rellenar el volumen de Aldebarán!
Pero las estrellas enanas y las gigantes no solo difieren en tamaño. También tienen mecanismos distintos para la generación de su luz, localizados en sus interiores más profundos. Para emitir energía, una estrella enana como el Sol transforma en helio el gas de hidrógeno de su región central, mientras que algunas estrellas gigantes elaboran carbono a partir de helio. En esos procesos, los núcleos atómicos se fusionan entre sí, generando elementos químicos más pesados y mucha energía (la luz de las estrellas). Curiosamente, tras muchos millones de años, las estrellas enanas se transforman en estrellas gigantes (¡algo que no pasa a los enanos de los cuentos infantiles!). Eso sucede cuando las enanas agotan el hidrógeno que usan como fuente de energía, por lo que comienzan a hincharse y se vuelven gigantes rojas. Estimamos que nuestro Sol lo hará dentro de unos 4.500 millones de años. Pero hay un hecho todavía más curioso: cuando culminan su etapa de gigante, las estrellas vuelven a reducir su tamaño volviéndose “enanas blancas“. Estos últimos astros son meros cadáveres de las estrellas, esferas de materia supercomprimida en un tamaño reducido, comparable al de la Tierra.
Aunque todos estos astros y sus cambios parecen extraños, en la exuberante fauna de estrellas existen objetos aún más raros. En este caso, nos referimos a las “estrellas subenanas”, llamadas así porque originalmente se suponía que eran menos luminosas que las enanas “normales” como el Sol. Existe una rica variedad de “subenanas”, pero las que nos interesan en esta ocasión, son el grupo de las “subenanas calientes” que muestran mucho helio.
De esas estrellas tan raras (y mucho más calientes que nuestro Sol), se trata el nuevo artículo publicado por un equipo de expertos en evolución estelar, encabezado por la Dra. Tiara Battich. Tiara, que obtuvo su doctorado en la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas (FCAG) de la UNLP y que ha ingresado recientemente a Carrera del Investigador de CONICET, actualmente se encuentra desarrollando sus investigaciones en el Max-Planck Institut für Astrophysik de Alemania. El trabajo al que nos referimos es una “letter“, un tipo de comunicación científica de extensión breve, que se publica con rapidez (previa revisión de pares expertos) ya que presenta resultados novedosos y de mucho impacto. En este caso, la revista que lo publicó es Astronomy & Astrophysics, una publicación europea de primer nivel en Astrofísica. Además de Battich, el equipo está conformado por Marcelo Miller Bertolami (IALP, UNLP), Aldo Serenelli (doctorado en FCAG, actualmente director del Institute of Space Sciences de España) y a ellos se suman Stephen Justham y Achim Weiss, ambos del Max-Planck Institute for Astrophysics.
El Dr. Marcelo Miller Bertolami junto a la Dra. Tiara Battich en el Instituto de Astrofísica de La Plata (CONICET – UNLP). Foto gentileza de Rebeca Higa.
Según se explica en el trabajo, las subenanas son estrellas de baja masa (un poco menor que la masa de nuestro Sol) y que, se supone, brillan por la fusión de helio en carbono en su interior (al igual que las gigantes que mencionábamos antes). Su origen es bastante incierto y hay varias teorías sobre esto, pero podrían tratarse de la coalescencia (unión) revitalizada de dos viejas enanas blancas (¡un auténtico zombi estelar!). Algo que llama la atención de las subenanas calientes es que algunas de ellas presentan una alta abundancia de elementos químicos muy pesados y extremadamente escasos en la naturaleza. Algunos de ellos son el circonio, el itrio y el germanio. ¿Alguna vez vieron alguna roca con estos minerales? (hay uno que quizás conozcan: el “circonio“, una imitación de diamante hecha en laboratorio). Eso es muy raro… Entonces, lo que este equipo de científicos se propuso, fue explicar la presencia de estos elementos químicos mediante modelos de computadora. Para eso, simularon el estado físico de las subenanas calientes, buscando un mecanismo para crear estos raros elementos químicos en cantidades suficientes como para que se puedan detectar en las observaciones por telescopio.
El mecanismo que probaron fue la “captura de neutrones“, un proceso estudiado por la física nuclear, responsable de producir la mayoría de los elementos químicos más pesados que el hierro (por ejemplo, el plomo, el oro o el titanio). Es común que ese proceso ocurra en las explosiones monstruosas de estrellas, las supernovas. Sin embargo, nunca había sido probado hasta el momento en el entorno físico del interior de una subenana. ¿En qué consiste la captura de neutrones? Primero recordemos que los núcleos atómicos contienen protones y neutrones. La cantidad de protones determina el elemento químico. Por ejemplo, si hay un único protón en el núcleo atómico, es hidrógeno. Si hay dos protones, es helio. Si hay seis protones, es carbono, y así. Los protones tienen carga eléctrica positiva y se repelen fuertemente entre sí. De hecho, los núcleos atómicos se desarmarían instantáneamente por esta repulsión, de no ser por la presencia de los neutrones. Los neutrones se parecen mucho a los protones, pero no tienen carga eléctrica. Entre los neutrones y los protones de un núcleo atómico se establece una fuerza nuclear muy intensa que mantiene al núcleo atómico unido y estable. Pero, debido a la repulsión eléctrica de los protones, otros protones no pueden entrar en el núcleo de un átomo. Sin embargo, los neutrones, por no tener carga, pueden ingresar y son “bien recibidos”. Y una vez adentro, los neutrones hacen una “trampa”. En el interior del núcleo atómico, se transforman en protones, haciendo que el átomo cambie, se vuelva un elemento químico más pesado, saltando una casilla de la tabla periódica. ¡Esa es la captura de neutrones, una fuente de elementos químicos exóticos!
Sin embargo, para tener captura de neutrones debería haber muchos neutrones disponibles. ¿De dónde salen esos neutrones, siendo que estas partículas solo pueden permanecer en estado libre durante unos pocos minutos? Para avanzar en esa incógnita, el equipo de investigación probó modelos computacionales que simulan la evolución de una estrella gigante que ha perdido sus capas de gas de hidrógeno más externas. Encontraron que algunas reacciones nucleares que involucran helio, carbono, y oxígeno en el interior de la estrella pueden proveer de un flujo de neutrones suficientemente abundante como para asegurar la captura neutrónica durante muchos años. Este proceso crea una gran cantidad de elementos pesados, entre los cuales destaca el plomo. Los movimientos del gas (en el fenómeno llamado “convección“) hacen subir estos elementos pesados a la superficie de la estrella y se pueden observar, analizando la luz estelar.
Por lo tanto, este nuevo artículo provee una explicación directa de la aparición de elementos químicos exóticos en estrellas subenanas calientes. Mediante un minucioso modelado del interior y de la evolución de la estrella se mostró, paso a paso, las instancias bajo las cuales ocurre el fenómeno de captura de neutrones. Este proceso, que no había sido testeado hasta el momento en subenanas calientes, demostró ser eficiente para explicar las observaciones. Sin duda, este notable avance en la comprensión de la naturaleza de estas estrellas tan peculiares, despertará un gran interés en la comunidad astrofísica internacional.
Título del artículo: “A self-synthesized origin of heavy metals in hot subdwarf stars?” (¿Un origen autosintetizado de metales pesados en estrellas subenanas calientes?)
Autores: Battich T. (Max-Planck-Institut fur Astrophysics, Alemania), Miller Bertolami M. M. (IALP, FCAG), Serenelli A. M. (Institute of Space Sciences, España), Justham S. (Max-Planck-Institut fur Astrophysics, Alemania) y Weiss A. (Max-Planck-Institut fur Astrophysics, Alemania y Anton Pannekoek Institute for Astronomy, Países Bajos).
Enlace preliminar al artículo: https://arxiv.org/abs/2311.04700
Redacción de la nota: Dr. Roberto O. J. Venero