La aparente distribución de edades en cúmulos estelares y el papel de la rotación estelar

• Título: Apparent Age Spreads in Clusters and the Role of Stellar Rotation
• Autores: F Niederhofer, C. Georgy, N.Bastian and S. Ekstörm
• Institución del primer autor: Excellence Cluster Origin and Structure of the Universe, Garching bei München, Germany.

La teoría de evolución estelar dice que un grupo de estrellas jóvenes coetáneas de diferente masa se van a ubicar una tras de otra en una línea conocida como la secuencia principal en el diagrama de Hertzprung-Russel. Las estrellas más masivas son más luminosas que sus hermanas mas pequeñas, por lo cual consumen su combustible más rápidamente. A medida que este grupo de estrellas evoluciona, una a una se alejan de la secuencia principal. El punto en donde se separan estas estrellas de la secuencia principal es conocido como punto de turn-off, el cual indicará la edad del cúmulo estelar.

Sin embargo en varios cúmulos se observa un punto de turn-off extendido (eMSTO por sus siglas en inglés), en donde el diagrama de Hertzprung-Russel no puede ser explicado con una única curva isócrona. El origen de esta característica sigue siendo un misterio. Una idea que intenta explicar esta distribución sugiere un periodo de formación estelar prolongado. Varios estudios se han enfocado en encontrar rastros de estos eventos de formación estelar prolongados en cúmulos jóvenes sin ningún éxito hasta el momento.

Desde los tiempos de Galileo sabemos que las estrellas rotan y esto afecta su estructura interna. Algunos de los principales efectos son: 1) mezcla interna del material que conforman la estrella y 2) modificar la estructura hidrostática de la estrella. Estos efectos se asocian para alargar la estancia de la estrella en la secuencia principal. En 2009 Bastian y de Mink propusieron un modelo simple en donde  la distribución de edades vista en el eMSTO puede ser debida a la rotación de las estrellas en el cúmulo.

En este artículo, los autores investigan con gran detalle los efectos de la rotación estelar en la edad aparente y la distribución de edades inferida por el punto de turn-off de un cúmulo de estrellas. Los autores utilizan el código SYCLIST  diseñado para generar poblaciones estelares sintéticas utilizando  curvas de evolución estelar.

Cuatro curvas isócronas generadas con el código SYCLIST. las curvas isócronas1 (magenta) y 2 (azul) corresponden a un cúmulo estelar de edad log t=8.5. Las estrellas de la curva 1 no rotan, mientras que las estrellas de la curva 2 rotan rápidamente. Las curvas 3 (roja) y 4 (amarilla), corresponden a dos cúmulos con distintas edades, log t=8.4 y log t=8.35 respectivamente, sin rotación. La rotación de la población estelar de la curva 2, puede generar un punto de turn-off extendido confundiendose con cúmulos más jóvenes. Figura 1 del artículo.

La figura 1 muestra 4 curvas isócronas generadas con el código SYCLIST. Las curvas 1 y 2 corresponden a dos curvas isócronas para el mismo cúmulo guía con diferentes velocidades de rotación estelar, lenta y rápida. Las curvas 3 & 4 corresponden a dos cúmulos estelares más jóvenes que el cúmulo guía sin ninguna rotación estelar. La presencia de un punto de turn-off extendido podría entenderse como una distribución de edades de la población (curvas 3 y 4), cuando realmente ha sido causado por la presencia de rotación estelar (curvas 1 y 2).

Dado que la rotación estelar afecta al núcleo de las estrellas alimentándolo con nuevo hidrógeno, la vida de la estrella se prolongará gracias al nuevo combustible disponible para mantener su reactor nuclear funcionando. La fracción de vida prolongada es proporcional a la velocidad de rotación y a la masa de la estrella, por lo cual un cúmulo estelar coetáneo joven, con una distribución de velocidades estelares, va a presentar un punto de turn-off extendido muy angosto. Por el contrario un cúmulo estelar coetáneo viejo va a presentar un punto de turn-off extendido muy ancho. Esto llevaría a pensar que los cúmulos más viejos han tenido un período de formación estelar más extendido que los cúmulos más jóvenes, cuando en realidad esta distribución aparente de edades ha sido causada por la rotación de las estrellas.

Comparación entre la predicción y las observaciones de la extensión del punto de turn-off en función de la edad del cúmulo estelar. Las tres curvas corresponden a puntos diferentes en los modelos, donde se mide la extensión del punto de turn-off. Un punto clave del modelo es que predice que los cúmulos mas viejos tienen un punto de turn-off mas extendido, de acuerdo con las observaciones. Figura 2 del artículo.

La figura 2 muestra una comparación entre la distribución aparente de edades observada y la distribución de edades predicha para cúmulos de diferentes edades. Tanto las observaciones como las predicciones muestran que la distribución de edades aparentes son proporcionales a la edad del cúmulo de acuerdo al modelo de rotación estelar, en donde los cúmulos jóvenes presentan distribuciones de edades menores que los cúmulos viejos.

Este artículo muestra un método simple y consistente para interpretar la distribución aparente de edades en los cúmulos estelares tanto para estrellas en la secuencia principal como para poblaciones de estrellas posteriores a la secuencia principal. Demuestra ser una herramienta útil para comparar diferentes poblaciones y diferenciar modelos de formación de cúmulos estelares.