En una noche despejada, nos maravillamos al contemplar una multitud de estrellas en el cielo, algunas apenas perceptibles y otras muy brillantes, como las Tres Marías. Nos preguntamos: ¿en qué recóndito lugar nacieron tantas estrellas? ¿Y dónde está el origen de las estrellas que brillan tanto? Un estudio exhaustivo de una región de formación estelar, realizado por investigadores locales y extranjeros, arroja nueva luz sobre estos ocultos procesos.
A todos los que atraviesan por la experiencia de tener un hijo en gestación, los consume una ansiosa curiosidad por conocer la apariencia y el continuo crecimiento del futuro bebé; su día a día en el cálido refugio del vientre materno. Sin embargo, las múltiples capas de piel, músculos, membranas y líquidos de una turgente panza lo mantienen oculto hasta el momento mismo del nacimiento. Aunque nuestros ojos no puedan verlo, la ciencia nos ofrece formas de entrever al pequeño en crecimiento y de explorar, sin riesgos, ese entorno opaco y protector. Mediante el uso de ondas de ultrasonido en una ecografía, podemos obtener un revelador esbozo de nuestro futuro hijo. Es interesante notar una curiosa similitud entre todas las gestaciones: se desarrollan en ambientes escondidos, protectores e inmersos en medios opacos. Sin embargo, incluso con estas barreras, la ciencia siempre encuentra una forma de percibir lo oculto. ¡Y este también es el caso de la formación de las nuevas estrellas!
Las estrellas nacen en el interior de las nebulosas, esas descomunales nubes de gas y polvo interestelar cuyos tamaños son capaces de albergar millones de sistemas solares como el nuestro. Muchas nebulosas son extremadamente opacas, razón por la cual el gas y el polvo mantienen aislado a su interior, sin recibir la energizante luz de las estrellas cercanas. Como resultado, las temperaturas en esos entornos son tan bajas que apenas alcanzan unos pocos grados sobre el cero absoluto. En estas condiciones, los choques ocasionales entre los lentos átomos del gas frío hacen que estos átomos queden ligados entre sí, formando moléculas. La molécula más simple y abundante contiene dos átomos de hidrógeno unidos, pero también existen moléculas mucho mas complejas que incluyen cadenas de átomos de carbono (moléculas orgánicas). Debido a la riqueza y abundancia de moléculas, a las nebulosas oscuras se las llama “nubes moleculares“. En sus oscuros interiores, las moleculas también se combinan en grandes cantidades, produciendo diminutos granos de polvo. El gas, junto con una pequeña fracción de polvo, tiende a condensarse en grumos de material, los que crecen al acumular más materia. Esto ocurre porque su fuerza gravitatoria supera a la del material circundante menos denso, permitiéndoles atraer más gas. Así, el material del interior nebular se va fragmentando en múltiples aglomeraciones localizadas (las estrellas no nacen solas sino que se forman en grupos). La fuerza gravitatoria va comprimiendo y reduciendo cada grumo, reuniendo más materia y elevando su temperatura hasta que se forma una “protoestrella“. Una protoestrella es un cuerpo gaseoso de enorme tamaño que emite luz debido a su propia contracción y al calentamiento del material que lo compone.
Este objeto continúa reduciéndose bajo su propia gravedad. En su región central, el gas se comprime increíblemente y su temperatura crece hasta superar los diez millones de grados. En estas condiciones, comienza la fusión nuclear: un proceso en el que los núcleos de los átomos de hidrógeno se unen para formar núcleos de helio, liberando una descomunal cantidad de energía. Esa energía, en forma de fotones o partículas de luz, es absorbida y reemitida innumerables veces por las distintas capas de material de la estrella, hasta escapar finalmente al espacio. Cuando se enciende la fusión nuclear, la protoestrella se transforma en una estrella estable y duradera. ¿Y qué ocurre con la nebulosa que la rodeaba? Cuando comienza la portentosa liberación de luz, el material gaseoso y el polvo circundante, se calientan desmesuradamente. Si la estrella en formación tiene mucha masa, esa luz será tan intensa que romperá las moléculas y, mas aún, arrancará los electrones de los átomos creando “gas ionizado”, es decir, gas formado por átomos con pocos o ningún electrón (iones). Como el hidrógeno es el átomo más abundante en el gas original de la nebulosa, a estas zonas ionizadas que brillan intensamente y que rodean a las estrellas recién formadas se las llama “regiones HII“. El número romano “II” indica que el hidrógeno ha perdido su electrón (mientras que HI corresponde a hidrógeno neutro).
Todos estos procesos son, sin duda, mucho más complejos, y existen numerosos factores que pueden influir en su desarrollo. Aún no comprendemos por completo algunas etapas de la formación estelar, especialmente en el caso de estrellas con más de ocho veces la masa del Sol (estrellas masivas). Nos preguntamos cómo puede reunirse tanta materia, de modo tan rápido, para formar estas grandes estrellas. Por ello, es fundamental encontrar formas de atravesar el entorno opaco de las nebulosas y estudiar, en su interior, el nacimiento de las estrellas. A diferencia de las ecografías médicas, que utilizan el ultrasonido para generar imágenes del interior del cuerpo, cuando queremos explorar el interior de las nubes moleculares usamos telescopios equipados con detectores que captan algunas clases específicas de luz. Es decir, captamos la luz emitida por el material en longitudes de onda (colores) invisibles para nuestros ojos, las que incluyen la luz infrarroja, las ondas submilimétricas y milimétricas y las ondas de radio. Estas formas de luz tienen una longitud de onda muy larga y no son absorbidas tan fuertemente por el gas y el polvo como sucede con la luz visible.
Esta aventura de inmersión en una nebulosa, en busca de los secretos del nacimientos de estrellas de gran masa, es el eje de una nueva investigación realizada por un grupo de expertos locales en colaboración con investigadores extranjeros. El estudio fue publicado en Astronomy & Astrophysics, una de las publicaciones científicas europeas más prestigiosas, con un riguroso sistema de revisión por pares. El equipo estuvo liderado por el Dr. Nicolás Duronea, astrónomo del Instituto de Astrofísica de La Plata (IALP, UNLP-CONICET), junto a los Dres. Gustavo Baume, Edmundo Marcelo Arnal y Roberto Gamen, también miembros del Instituto y docentes de la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas de la Universidad Nacional de La Plata (FCAG, UNLP). La colaboración nacional se completó con los Dres. Martín Ortega, Laura Suad y Silvina Cichowolski del Instituto de Astronomía y Física del Espacio (UBA-CONICET). Por parte de los investigadores extranjeros, participaron los Dres. Leonardo Bronfman, Ricardo Finger y Manuel Merello, de la Universidad de Chile; junto con los Dres. Edgar Mendoza, Miguel Carvajal de las universidades de Huelva y Granada, en España.
El estudio se centró en el complejo de formación estelar gigante RCW 122, ubicado en el disco de la Vía Láctea. Este complejo alberga una enorme nube molecular junto con algunos grupos de estrellas muy calientes y masivas. Para analizar el interior nebular, los investigadores utilizaron imágenes de la luz infrarroja, submilimétrica, milimétrica y en radioondas que emerge del complejo. Cada una de estas formas de luz permite examinar distintos aspectos de los objetos en formación y cartografiar diferentes regiones internas de la nebulosa. Las observaciones submilimétricas y milimétricas fueron realizadas con los radiotelescopios ASTE (Atacama Submillimiter Telescope Experiment) y APEX (Atacama Pathfinder Experiment telescope), enormes antenas ubicadas en la región desértica del norte de Chile. Esos instrumentos de alta sensibilidad, permiten distinguir con gran detalle, las regiones internas de la nebulosa. Además, los investigadores completaron el análisis con observaciones en luz infrarroja y en ondas de radio disponibles en bases de datos públicas. Su objetivo principal fue identificar candidatos a estrellas masivas en formación (conteniendo más de ocho veces la masa del Sol), para comprender mejor los procesos que ocurren durante su desarrollo.
En su trabajo, los investigadores resumen la formación de estrellas masivas en cuatro etapas principales. La primera etapa comienza con nubes frías y densas, sin estrellas, que pueden ser detectadas mediante luz infrarroja y ondas submilimétricas. En la segunda etapa, se forman núcleos más calientes, las protoestrellas, que emiten luz característica de moleculas complejas y pueden detectarse en ondas milimétricas y submilimétricas. En la tercera etapa, estos objetos evolucionan para formar regiones HII ultracompactas, en las que la luz de las últimas etapas de la protoestrella comienza a ionizar su entorno inmediato. Esas regiones son detectadas en ondas de radio y milimétricas. Finalmente, en la cuarta etapa, las estrellas recién nacidas brillan en todo su esplendor, generando a su alrededor, extendidas nebulosas brillantes o regiones HII clásicas. Las estrellas masivas recién formadas son muy calientes y azuladas, aunque se las observa en luz infrarroja o en ondas de radio por encontrarse aún inmersas en material opaco. Siguiendo este esquema, dentro del complejo RCW 122, los investigadores identificaron cinco grumos principales, cada uno representando una etapa diferente del proceso de formación estelar, y conteniendo una gran cantidad de material comprendido entre 300 y 4.000 veces la masa del Sol. Además, detectaron la emisión de luz asociada a once moléculas diferentes, evidenciando una rica diversidad química entre los grumos. Finalmente, siendo que los cinco grumos no estarían en las mismas etapas temporales, propusieron un esquema de evolución secuencial. Uno de los grumos muestra una alta ionización, probablemente causada por el calentamiento de varias estrellas de un grupo cercano.
Este estudio aporta nuevos indicios sobre la formación estelar de estrellas masivas en el interior oculto de RCW 122, un vasto complejo en el que coexisten regiones en distintos estadios evolutivos. Los autores concluyeron que los grumos identificados en el interior de RCW 122 pueden ordenarse en distintas etapas evolutivas, y que están rodeados de un entorno complejo donde se detecta una gran diversidad de moléculas. El análisis de estas moléculas, realizado mediante las potentes antenas APEX y ASTE, junto con el estudio de las propiedades del polvo asociado y las regiones HII, proporcionan una comprensión más profunda de las propiedades físicas y químicas en las primeras fases de la formación estelar. Sin dudas, este trabajo tendrá un impacto significativo en la comunidad astronómica internacional, ya que ofrece nuevas pistas para desentrañar los misterios del nacimiento de las estrellas masivas.
Título del artículo: “Revisiting the massive star-forming complex RCW 122: New millimiter and submillimiter study”
Autores:
N. U. Duronea (IALP, CONICET-UNLP), L. Bronfman (Universidad de Chile), M. Ortega (IAFE, UBA-CONICET), L. A. Suad (IAFE, UBA-CONICET, FCAG, UNLP) , G. Baume (IALP, CONICET-UNLP, FCAG, UNLP), E. Mendoza (Universidad de Huelva), M. Carvajal (Universidad de Huelva, Universidad de Granada), S. Cichowolski (IAFE, UBA-CONICET, FCAG, UNLP), E. M. Arnal (FCAG, UNLP), R. Finger (Universidad de Chile), M. Merello (Universidad de Chile) y R. Gamen (IALP, CONICET-UNLP, FCAG, UNLP).
Redacción de la nota: Dr. Roberto O. J. Venero