Bárbara Rojas

Muchos asocian el nombre Gaia con la diosa que personifica a la Tierra en la mitología griega. Sin embargo, los astrónomos llaman así a la sonda espacial que está censando las estrellas de nuestro vecindario.

La sonda espacial Gaia pertenece a la Agencia Espacial Europea (ESA por sus siglas en inglés) y fue lanzada en diciembre del 2013 desde Puerto Espacial Europeo en la Guayana Francesa. ¿Su objetivo? Construir un mapa tridimensional de la Vía Láctea al detectar y medir los movimientos de cada estrella con respecto al centro galáctico y con respecto a nosotros (lo que es conocido como astrometría), convirtiéndose en una potente herramienta para el estudio de la formación y evolución de la Galaxia. De hecho, Gaia consiste en un solo instrumento integrado que cumple 3 funciones: astrometría, fotometría y espectrometría.

Figura 1. Impresión artística de la sonda espacia. Gaia consiste en 2 telescopios con un instrumento integrado en una estructura cubierta con una capa térmica, parasol con paneles solares, tanques propulsores y presurizadores, y una antena que envía la información procesada in situ hacia la Tierra. Copyright: ESA.

Desde el 25 de Abril del 2018, la segunda publicación de los datos de Gaia (DR2) está disponible para toda la comunidad astronómica y ¡nos ha dejado maravillados!

Gaia DR2 consiste en las observaciones y mediciones de posiciones y brillo efectuadas entre Julio del 2014 a Mayo del 2016 de aproximadamente 1700 millones de estrellas de la Vía Láctea y galaxias cercanas.

Para cerca de 1300 millones de estas estrellas, Gaia además ha medido sus indicadores de distancia, movimientos y colores, que le han permitido construir una nueva versión del diagrama más usado por los astrónomos estelares desde principios del siglo pasado.

Ejnar Hertzsprung y Henry Norris Russell son dos astrónomos que durante los primeros años del 1900s trabajaron en la identificación y clasificación de las estrellas obtenidas en placas fotográficas por diferentes sondeos.

Ambos, de manera independiente, clasificaron a las estrellas por su color, tipo espectral o temperatura (del azul/caliente al rojo/frío) y por su luminosidad/brillo (de brillante a tenue), encontrando que las estrellas se agrupaban en lugares específicos dentro del espacio luminosidad/color.

Estos lugares están relacionados con procesos físicos que ocurren en las estrellas durante su evolución, por lo que el diagrama Hertzsprung-Russell, o también conocido como H-R en honor a sus creadores, se convirtió en una herramienta imprescindible para entender la evolución estelar y saber cómo las propiedades físicas observables cambian a medida que el tiempo transcurre.

Figura 2.Uno de los primeros diagramas HR, creado por Russell en 1914. En él se grafica la luminosidad absoluta como función de clase espectral para estrellas en 3 agrupaciones estelares. Las dos líneas diagonales delimitan la región donde las estrellas que fusionan hidrógeno en helio en su interior se encuentran. Crédito: Adaptada de Henry Norris Russell, Relations between the spectra and other characteristics of stars, Popular Astronomy 22, 275-294 (1914). Kenneth R. Lang, Tufts University.

La Figura 2 muestra una de las más antiguas versiones del diagrama H-R, hecha por Russell en 1914. Estrellas integrantes de 3 asociaciones estelares están graficadas con respecto a su tipo espectral y por su luminosidad absoluta, medida en magnitud visual [1]. En él se puede distinguir que la mayoría de las estrellas se agrupan en un área delimitada por dos líneas diagonales, que cruzan el gráfico desde el sector donde están las estrellas más calientes y más brillantes (estrellas tipo B con Mv~-2), hasta donde están las más frías y más tenues (estrellas tipo K/M con Mv~+8).

Esta área es conocida como secuencia principal, que es donde se encuentran las estrellas que están quemando hidrógeno en helio mediante fusiones nucleares en su interior, también conocidas como enanas por su clase de luminosidad.

Es aquí donde se encuentra el sol, por ejemplo. En la parte superior derecha podemos ver agrupadas otras estrellas, las cuales son conocidas como gigantes, y representan a estrellas en una fase evolutiva diferente a las enanas: ellas han acabado el hidrógeno disponible en sus interiores para la fusión nuclear de helio, y sus capas exteriores se han expandido, bajando su temperatura superficial pero incrementando su luminosidad, por lo que han migrado de la secuencia principal.

Estas estrellas volverán a tener fusión nuclear en sus interiores, pero esta vez quemando helio en carbono. Hay solo una estrella que se encuentra en la parte inferior izquierda del gráfico, que corresponde a un objeto de alta temperatura pero muy tenue.

Es en esta región donde se encuentran las enanas blancas, remanentes estelares que corresponden a los núcleos de estrellas de masas menores a ~10 masas solares que han agotado el combustible para reacciones nucleares, y que por lo tanto ya han pasado por sus etapas evolutivas de enana y gigante.  

La versión 2018 del diagrama H-R con datos de Gaia nos permite distinguir con datos empíricos claramente las regiones nombradas anteriormente y algunas nuevas!

Figura 3. Diagrama H-R con estrellas que se encuentran a menos de 200 pc (~658 años-luz) de nosotros, de acuerdo a mediciones precisas de sus distancias y fotometría realizadas con Gaia. La cantidad de ellas está representada por colores, desde el azul (baja densidad) hasta el amarillo (alta densidad) *** Inspirada en una figura similar del twitter del Dr. Juan Carlos Beamín, investigador de la UV y del NPF (@jcbeamin).

La figura 3 muestra más de 600 mil estrellas que se encuentran con certeza [2] a menos de 658 años-luz de nosotros de acuerdo a mi búsqueda en los datos de Gaia DR2. Debido a la gran cantidad de ellas, es posible apreciar áreas donde hay una mayor concentración de ellas.

Por ejemplo, la secuencia principal, que es donde se encuentran las estrellas enanas, se ensancha para estrellas que son frías y tenues: las enanas rojas.

Bajo la secuencia principal de enanas rojas, se encuentran las estrellas subenanas, que son enanas rojas con un bajo porcentaje de metales (elementos más pesados que H y He) y con cinemática correspondiente al Halo de la Vía Láctea, por lo que probablemente sean las estrellas más viejas de nuestro vecindario solar actual.

Sobre la secuencia principal de enanas rojas, se encuentran estrellas pequeñas jóvenes, algunas de las cuales aún no han comenzado la fusión de hidrógeno en sus núcleos y se están contrayendo, y/o enanas rojas ricas en metales.

Paralela a la secuencia principal, pero más delgada, se puede ver otra secuencia, la cual corresponde a estrellas enanas binarias idénticas, es decir, estrellas gemelas que se orbitan una a la otra en órbitas muy pequeñas, por lo que nos es difícil distinguirlas por separado y parecieran ser solo una estrella. También es posible observar la rama de las estrellas gigantes, compuesta por estrellas que han dejado la secuencia principal porque no tienen más hidrógeno en sus núcleos para fusión estable de helio, por lo que pierden el equilibrio hidroestático (equilibrio entre radiación vs gravedad) en el que se encontraban y sus capas exteriores se expanden, volviéndolas más luminosas y más frías, es decir, gigantes rojas. Hay una segunda zona estable de fusión en la rama de gigantes, la cual corresponde a la fusión de helio en carbono en sus interiores (apelotamiento rojo). Y, finalmente, podemos reconocer el lugar donde se encuentran las enanas blancas.  

Del gráfico también se pueden deducir datos demográficos: en nuestro vecindario la mayoría de las estrellas se encuentra en la secuencia principal, y en número, dominan las estrellas frías y tenues, es decir, las enanas rojas. Podemos también decir que al menos 1500 de estas estrellas cercanas terminaron su cadena evolutiva y dejaron como remanentes enanas blancas.  

Los objetivos científicos que Gaia espera cumplir al censar y mapear en 3D cerca de 1.000 millones de estrellas no se limita solo al estudio de éstas, ya que se espera, por ejemplo, clarificar la historia del origen y formación de la Vía Láctea, y examinar la distribución de materia oscura en ella.

Además, se espera descubrir nuevos sistemas exoplanetarios, supernovas en otras galaxias y nuevos objetos transneptunianos similares a Plutón en nuestro sistema solar.

Estudiando cómo se curva la luz de las estrellas por la masa del sol y de los planetas gigantes, Gaia observará directamente la estructura del espacio-tiempo.

Por lo tanto, el censo final de la misión Gaia nos permitirá  tener una visión más real y más completa de la Vía Láctea y de los procesos físicos que gobiernan el Universo.

[1] Las magnitudes se miden en una escala inversa a lo que uno podría pensar, donde las estrellas más brillantes tienen valores de magnitud menores o negativas incluso, y las más tenues valores de magnitud mayores.

[2] Los errores en paralaje son menores o iguales a 0.06 mili-segundos de arco.

Referencias:

Bárbara Rojas
Licenciada en Ciencias Mención Astronomía de la Universidad de Chile y Doctora en Astrofísica de la Cornell University, EEUU. Sus áreas de interés son las estrellas de baja masa, las enanas marrones y los exoplanetas. Es profesora e investigadora del Departamento de Ciencias Físicas de la Universidad Andrés Bello. Desde el 2017 forma parte del Directorio de la Sociedad Chilena de Astronomía (SOCHIAS).

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