ALMA detecta una sorprendente estructura espiral

10 octubre, 2012

Utilizando el observatorio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) un grupo de astrónomos descubrió una estructura espiral totalmente inesperada en el material que rodea la antigua estrella R Sculptoris. Es la primera vez que se encuentra una estructura como esta, junto con una envoltura esférica, alrededor de una estrella gigante roja. Es también la primera vez que los astrónomos pueden obtener una información tridimensional completa de una espiral como ésta. Su forma especial probablemente fue creada por una estrella compañera oculta que orbita alrededor de la gigante roja. Este trabajo es uno de los primeros resultados de la etapa de Ciencia Inicial de ALMA, y será publicado esta semana en la revista Nature.

Un equipo que trabajó con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), el telescopio milimétrico y submilimétrico más potente del mundo, descubrió una sorprendente estructura espiral en el polvo que rodea la gigante roja R Sculptoris. [1][2][3]. Esto significa que probablemente hay una estrella compañera desconocida orbitando alrededor a la gigante [4]. Los astrónomos también se sorprendieron al encontrar mucho más materia eyectada por la gigante roja de lo que esperaban.

“Habíamos visto envolturas que rodeaban este tipo de estrellas, pero es la primera vez que vemos una espiral de materia saliendo de una estrella junto a una envoltura que la rodea”, afirma el autor principal del artículo donde se presentaron los resultados, Matthias Maercker (Observatorio Europeo Austral -ESO- e Instituto de Astronomía Argelander, Universidad de Bonn, Alemania).

Al expulsar grandes cantidades de materia, las gigantes rojas como R Sculptoris aportan gran parte del polvo y gas que constituyen el grueso de la materia prima para la formación de futuras generaciones de estrellas, sistemas planetarios y, por ende, de vida.

En la fase de Ciencia Inicial, cuando se hicieron las nuevas observaciones, ALMA ya había superado la capacidad de los demás observatorios submilimétricos. Las observaciones anteriores habían revelado claramente la presencia de una envoltura esférica alrededor de R Sculptoris, no así de la estructura espiral, ni tampoco de una estrella compañera.

“Cuando observamos la estrella con ALMA ni siquiera la mitad de las antenas del proyecto estaba lista. Es realmente fascinante imaginar lo que podrá hacer el conjunto final de ALMA una vez que esté listo en 2013”, agrega Wouter Vlemmings (Universidad Tecnológica Chalmers, Suecia), miembro del equipo.

Al final de sus vidas, las estrellas con masas de hasta ocho veces la del Sol se convierten en gigantes rojas y expulsan una gran cantidad de su masa en forma de viento estelar. En esta etapa, las estrellas experimentan pulsos térmicos periódicamente. Los pulsos térmicos son cortas explosiones de helio en el interior de la envoltura que rodea el núcleo estelar. Un pulso térmico provoca la expulsión de materia desde la superficie de la estrella con una fuerza mucho mayor que la normal, lo que produce una gran envoltura de polvo y gas rodeando a la estrella. Después del pulso, la velocidad a la que la estrella pierde masa vuelve a su valor normal.

Los pulsos térmicos ocurren aproximadamente cada 10.000 a 50.000 años y duran solo unos cientos de años. Las nuevas observaciones muestran que hace unos 1.800 años R Sculptorisexperimentó un pulso térmico que duró cerca de 200 años. La estrella compañera dio forma de espiral al viento de R Sculptoris.

“Gracias a la capacidad de ALMA para ver pequeños detalles, podemos comprender mucho mejor qué sucede en la estrella antes, durante y después del pulso térmico, estudiando la forma de la envoltura y de la estructura en espiral – explica Maercker -. Teníamos esperanzas de que ALMA nos diera una nueva visión del Universo, pero hacer hallazgos inesperados ya en uno de los primeros períodos de observación es realmente emocionante”. 

Con el fin de describir la estructura observada alrededor de R Sculptoris, el equipo de astrónomos también hizo simulaciones computacionales para seguir la evolución de un sistema binario. [5]. Estos modelos concuerdan con las nuevas observaciones de ALMA.

“Es un verdadero desafío describir en forma teórica todos los detalles observados con ALMA, pero nuestras simulaciones computacionales muestran que realmente estamos en el camino correcto. ALMA nos está permitiendo comprender mejor qué sucede en estas estrellas y qué podría ocurrirle al Sol dentro de unos pocos miles de millones de años más”, sostiene Shazrene Mohamed (Instituto de Astronomía Argelander, Universidad de Bonn, Alemania y Observatorio Astronómico de Sudáfrica), co-autora del estudio.

“En un futuro cercano, la observación con ALMA de estrellas como R Sculptoris nos ayudarán a entender cómo los elementos de los que nosotros estamos compuestos están lugares como la Tierra. Además nos da pistas de cómo será el futuro lejano de nuestra propia estrella”, concluye Matthias Maercker.

Notes

[1] R Sculptoris es un ejemplo de estrella de la rama asintótica gigante (Asymptotic Giant Branch, AGB). Se trata de estrellas con una masa inicial de entre 0,8 y 8 veces la masa solar que se encuentran en las últimas etapas de su vida. Son gigantes rojas y frías que pierden grandes cantidades de masa a través de fuertes vientos estelares, y suelen ser estrellas variables de largo período. Su estructura consiste en un diminuto núcleo de carbono y oxígeno rodeado de una envoltura incandescente de helio e hidrógeno, protegida a su vez por una enorme envoltura convectiva. Nuestro propio Sol algún día se convertirá en una estrella AGB como ésta.

[2] La envoltura que se forma alrededor de las estrellas AGB se compone de gas y granos de polvo. Los granos de polvo pueden detectarse examinando su emisión térmica que se extiende desde el espectro infrarrojo lejano hasta ondas milimétricas. La emisión en longitudes de onda milimétricas de las moléculas de CO permite a los astrónomos obtener mapas de alta resolución de la emisión de gas en los fuertes vientos estelares generados por las estrellas AGB. Estas observaciones también son ideales para comprender la distribución del gas alrededor de estos objetos. La alta sensibilidad de ALMA también permite obtener imágenes directas de la zona de condensación de polvo y de la estructura del material que rodea las AGB, con un nivel de detalle inferior a 0,1 segundos de arco.

[3] Una espiral similar, pero carente de envoltura que lo rodee, ha sido observada por el telescopio espacial Hubble de NASA/ESA en la estrella LL Pegasi. A diferencia de las nuevas observaciones con ALMA, esta información no permite estudiar la estructura tridimensional completa. Las observaciones de Hubble detectan el polvo y las de ALMA, la emisión molecular.

[4] También se ha sugerido que las binarias ocultas podrían explicar las extrañas formas observadas en objetos relacionados, como las nebulosas planetarias. Después de la etapa de AGB, las estrellas de mediana y baja masa (de 0,8 a 8 veces la masa solar) se extinguen y forman una nebulosa planetaria. Estos son los restos brillantes de la envoltura de gas expulsada durante la etapa AGB e ionizada por la radiación ultravioleta emitida por la estrella central. Muchas nebulosas planetarias presentan morfologías extremadamente complejas y variadas. Se ha argumentado que estas distintas formas son producidas por estrellas centrales binarias, discos estelares y campos magnéticos.

[5] El sistema modelado consiste en una AGB primaria experimentando un pulso térmico y una pequeña estrella compañera. La separación entre las estrellas en la simulación es de 60 unidades astronómicas, con una masa total de 2 masas solares para el sistema. El período orbital es de 350 años.

Información adicional

Los resultados de esta investigación se presentaron en el artículo titulado “Inesperada enorme pérdidas de masa durante un pulso térmico en la estrella gigante roja R Sculptoris”, de Maercker y su equipo, que se publicará en la revista Nature.

El equipo está compuesto por M. Maercker (ESO; Instituto de Astronomía Argelander, Universidad de Bonn, Alemania ), S. Mohamed (Instituto de Astronomía Argelander, Observatorio Astronómico de Sudáfrica), W. H. T. Vlemmings (Observatorio Espacial de Onsala, Suecia; Universidad Tecnológica Chalmers, Onsala, Suecia), S. Ramstedt (Instituto Argelander), M. A. T. Groenewegen (Observatorio Real de Bélgica, Bruselas, Bélgica), E. Humphreys (ESO), F. Kerschbaum (Departamento de Astronomía, Universidad de Viena, Austria), M. Lindqvist (Observatorio Espacial de Onsala), H. Olofsson (Observatorio Espacial de Onsala), C. Paladini (Departamento de Astronomía, Universidad de Viena, Austria), M. Wittkowski (ESO), I. de Gregorio-Monsalvo (Joint ALMA Observatory, Chile) y L. A. Nyman (Joint ALMA Observatory).

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre Europa, Norteamérica y Asia del Este en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado en Europa por la Organización Europea para la Investigación Astronómica en el Hemisferio Austral (ESO), en Norteamérica por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF por su sigla en inglés) en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC por su sigla en inglés) y el Consejo Nacional de Ciencia de Taiwán (NSC por su sigla en inglés) y en Asia del Este por los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales (NINS por su sigla en inglés) de Japón en cooperación con la Academia Sinica (AS) en Taiwán. La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas a nombre de Europa por ESO, a nombre de Norteamérica por el Observatorio Radio Astronómico Nacional (NRAO), que es operado por Associated Universities, Inc. (AUI), y a nombre de Asia del Este por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ). El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, como también la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

El observatorio ALMA se inaugurará el 13 de marzo de 2013.

Contactos:

Valeria Foncea
Education and Public Outreach Deputy Officer,
Joint ALMA Observatory
Santiago, Chile
Tel: +56 2 2467 6258
Email: vfoncea@alma.cl

Matthias Maercker 
ESO ALMA Cofund Fellow
Instituto de Astronomía Argelander
Universidad de Bonn, Alemania
Tel: +49 228 735768
Cell: +49 176 706 21 632
Email: maercker@astro.uni-bonn.de 

Wouter Vlemmings 
Observatorio
 Espacial Onsala
Universidad Tecnológica Chalmers, Suecia
Tel: +46 31 772 5509
Cell: +46 733 544 667
Email: wouter.vlemmings@chalmers.se

Shazrene S. Mohamed 
Postdoctoral Research Fellow
Observatorio Astronómico Sudafricano, Cape Town, Sudáfrica
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Email: shazrene@saao.ac.za

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Assistant Director – Education & Public Outreach
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Masaaki Hiramatsu
 
Education and Public Outreach Officer,
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