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La conspiración de la evolución estelar, parte I

Título del artículo original: Confronting uncertainties in stellar physics II. Exploring differences in main-sequence stellar evolution tracks
Autores: R. J. Stancliffe, L. Fossati, J.-C. Passy  y F. R. N. Schneider
Institución del primer autor: Argelander-Institut für Astronomie, Universidad de Bonn, Alemania.
Estado de la publicación: Publicado en  Astronomy & Astrophysics  (Febrero 2016)
Astrobite original: The stellar evolution conspiracy, part I por Leonardo dos Santos

Prácticamente todas las áreas de la investigación en astrofísica dependen de qué también entendemos la vida y muerte de las estrellas. ¿Habitabilidad de los exoplanetas? Sí. ¿Evolución de las galaxias? Definitivamente. ¿La naturaleza de la materia oscura? Sí. ¿La búsqueda de vida extraterrestre? Tu apuesta. Ésta es una componente tan crucial en la astrofísica que decidí discutir el problema en más de un astrobites (el siguiente viene pronto). Las estrellas son omnipresentes y conducen a innumerables fenómenos en el universo. Y es por eso que, al final de cada día, siempre me pregunto a mí mismo: ¿qué tanto deberíamos confiar en nuestra comprensión acerca de la evolución estelar?.

Cúmulo de las Pléyades en infrarrojo. Este bien conocido objeto es un laboratorio para probar las teorias de evolución y estructura estelar. Crédito: NASA/JPL-Caltech/UCLA

No necesitamos hechos alternativos

Ahora, no quiero sonar como una teoría de conspiración o algo así, pero esto es algo que está manteniendo despiertos a alguno de nosotros por la noche. Vamós a comenzar con el Talón de Aquiles de la astrofísica moderna: las edades de las estrellas. Excepto para casos muy especiales, las edades estelares son particularmente difíciles de medir porque las estrellas cambian muy poco a lo largo de su vida. Para complicar más las cosas, pequeños cambios en la estructura interior de la estrella pueden producir cambios significativos en la composición química de su superficie. Es por eso que nosotros necesitamos que los modelos sean muy precisos para que podamos tener estimaciones decentes de las propiedades físicas de las estrellas (nota que dije ‘decente’, y no ‘bueno’).

Hay muchos modelos de evolución estelar por ahí, y son muy similares, pero no es claro si alguno de ellos son incluso correctos. Para principiantes, es prácticamente imposible calcular la evolución estelar de primeros principios de la física, por lo cual tenemos que apelar a una serie de simplificaciones y suposiciones. Diferentes autores aplican diferentes atajos teóricos, conduciendo a la aparición de distintos modelos.

Exhibiendo a los modelos de evolución estelar

Supngamos que observamos una estrella idéntica al Sol con el espectrógrafo Gaia y tú quieres estimar, digamos, su masa (ver el astrobites de Meredith para un resumen sobre cómo puede realizarse esta estimación). Los autores del artículo de hoy encontraron que, dependiendo de cuál de los seis modelos disponibles es seleccionado, la masa de la estrella estará entre 0.97 y 1.01 masas solares. Esto es, de hecho, un muy buen acuerdo, lo cual significa que los modelos son consistentes el uno con el otro (ver Fig. 1). Esto es lo esperado, porque los códigos de evolución estelar son usualmente calibrados para reproducir al Sol en su masa y edad exacta, las cuales sabemos de otros métodos más precisos y exactos.

Figura 1. Trazas evolutivas de una estrella idéntica al Sol (la temperatura en el eje x, la luminosidad en el eje y. Las curvas son para los diferentes modelos, y los conjuntos de símbolos representan diferentes edades. El cuadrado corresponde a las incertidumbres observacionales del satélite GAIA. Nota que todos los modelos caen bien dentro de las incertidumbres observacionales, las cuales son señales de que ellos son consistentes. (Figura 1 del artículo original.)

 

Las diferencias significativas empiezan a surgir cuando trabajamos con estrellas que tienen masas y edades que se apartan de los valores solares. Estos son los regímenes donde nuestras incertidumbres en las aproximaciones y suposiciones pueden agarrarnos desprevenidos.  Los autores observan que los seis modelos de evolución estelar de estrellas con 3 masas solares son particularmente divergentes después de la fase de secuencia principal (ver Fig. 2).

 

Figura 2. Similar a Fig. 1, pero para una estrella tres veces la masa solar. Nota que los modelos son mucho más divergentes en este caso. (Figura 8 del artículo original.)

¿Cómo mezclar una bola gigante de plasma?

Otro problema es que los desarrollos más recientes en la teoría de estructura estelar, tales como difusión radiativa (la cual será discutida en la parte II), tienen un impacto en los resultados de los modelos. Cuando los autores trataron de recalibrar estos cambios con el Sol (utilizando el código de uso libre MESA), no pudieron obtener un ajuste global perfecto. Este fue un buen ajuste para la luminosidad solar y temperatura, o su composición química, pero no todos ellos al mismo tiempo.

Propuesta por Erika Böhm-Vitense en 1958, una aproximación ampliamente utilizada para modelar el material de convección en las atmósferas de las estrellas es conocido como la teoría de longitud de mezclado (MLT).  En pocas palabras, la longitud de mezclado es la distancia a la que una celda convectiva atraviesa antes de desaparecer. MLT ha tenido mucho éxito en los modelos de evolución estelar, pero viene con una fuerte advertencia: demasiados parámetros libres. Esto significa que observamos una estrella bien conocida (por ejemplo, el Sol) y calibramos estos parámetros para que los resultados de los modelos reproduzcan lo que observamos. Los parámetros libres molestan porque no sabemos en qué medida son aplicables. Una alternativa para MLT que parece prometedora es la implementación de simulaciones hidrodinámicas 3D de convección.

En resumen, resulta que preguntando ¿qué modelo debemos escoger? no es una pregunta útil: lo que nosotros de hecho debemos preguntar es ¿cuáles son las suposiciones y aproximaciones? De esta manera, podemos analizar si el modelo es aplicable o no a nuestra investigación dada sus limitaciones. En siguiente parte, discutiré otro desarrollo de la estructura estelar que está siendo demasiado discutida por la comunidad, y cómo afecta a la edades estimadas y a la búsqueda de hermanos cósmicos.

 

 

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  1. Pingback: La conspiración de la evolución estelar, parte II | Astrobites en español - 22/05/2017

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