La conspiración de la evolución estelar, parte II

• Título del artículo:  The influence of atomic diffusion in stellar ages and chemical tagging
• Autores:  Aaron Dotter, Charlie Conroy, Phillip Cargile, Martin Asplund [Mirar nota abajo]
• Institución del primer autor: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
• Estado del artículo I: Aceptado para publicación el Astrophysical Journal, acceso abierto
• Astrobito original: The stellar evolution conspiracy, part II por Leonardo Dos Santos

Debido a que conocemos tan bien el Sol (al igual que otras estrellas similares), lo utilizamos como patrón para entender la física de otros objetos en el universo. Así que, los modelos y teoría de la evolución estelar juegan un papel importante en nuestra compresión del universo: desde la habitalidad de los exoplanetas a la naturaleza de la materia oscura. En fin, existe un problema para un tema extremadamente complicado y es que por ejemplo los autores utilizan diferentes acercamientos, esto conduce a que surjan inconsistencias, especialmente dentro de esas estrellas que divergen de la norma solar (para más información ver parte I de este astrobito por Karla Ziboney Arellano-Córdova). Con esto en mente, volvamos a preguntarnos: ¿Cuánto debemos confiar en nuestro entendimientos sobre la evolución estelar?

Figura 1. Esta imagen cortada muestra rarezas en la velocidad del sonido en el interior profundo del Sol. Crédito: SOHO (ESA & NASA), MDI/SOI y VIRGO, A. Kosovichev, Stanford University

Capas falsas

Las estrellas son como las cebollas (ver Figura 1): tienen varias capas concéntricas en su interior y pueden remotamente hacer que un adulto humano  llene sus ojos de lágrimas.  El Sol en partícular se compone de tres capas principales: el núcleo, la zona radiativa y la zona de convección. En la parte I de este astrobito el autor explica brevemente cómo usualmente los científicos tratan la parte de convección: utilizando la teoría de longitud de mezclado. Es principalmente este proceso el que mezcla el material interior del Sol, por ende cambiando la composición química de su superficie. Pero, en el artículo del día de hoy los autores analizan los efectos de otro proceso, generalmente pasado por alto, que cambia el Sol: la difusión atómica.

La difusión ocurre principalmente en la zona radiativa de las estrellas parecidas al Sol: esta zona es impulsada por gradientes de presión, temperatura y concentración de sustancias químicas. A pesar de que se propuso teóricamente en el contexto estelar en el 1917, hasta la fecha no se ha convertido en un ingrediente estándar en los modelos de evolución estelar. Con el objetivo de remendar este agujero y observar cómo la difusión cambia las cosas, los autores de este artículo emplean el código de evolución estelar: MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics).

No es un camino fácil

Resulta que la difusión atómica es realmente muy importante: tiene le efecto de extender la mezcla convectiva en regiones mucho mas profundas, lo que cambia aún más la composición química de la superficie. Esto significa que si asumimos que las estrellas parecidas al Sol mantienen la misma composición superficial durante la mayor parte de sus vidas, tendríamos errores sistemáticos de hasta 20% en sus edades (ver Figura 2).

Figura 2. Diferencias en edades determinadas a partir de las variables y constantes metalicidades asumidas. La mayoría de los puntos en la imagén son negativos, lo que significa que la suposición de metalicidad constante usualmente sobrestima las edades.

Para explicar esta evolución de las abundancias químicas (es decir, la composición superficial), es necesario aplicar lo que los autores llaman el enfoque de la metalicidad variable para estimar la edad estelar. Este método permite que las abundancias evolucionen a partir de la composición original de la estrella, reflejando los efectos de la difusión atómica.

“Tu hermana no se parece a ti”

Como se pueden imaginar, la difusión también tiene fuertes implicaciones para el etiquetado químico (ver este astrobite). Ya no podemos agrupar los objetos astronómicos simplemente por su composición química, también tenemos que considerar la evolución de las abundancias debido a la difusión, lo que hace que el etiquetado químico sea aún más complicado de lo que ya era. Pero este problema puede ser mitigado, ya sea trabajando con estrellas en la misma fase evolutiva o concentrándonos en las relaciones de abundancia en lugar de las absolutas (ver Figura 3).

Figura 3. Evolución de las abundancias de superficie para diferentes elementos de la secuencia principal (colina izquierda) y fases de gigantes rojas (cola superior derecha) mediante difusión atómica. Los cambios más fuertes ocurren al final de la secuencia principal para todos los elementos.

Dicho todo esto, el autor original de este escrito espera que no perdamos la esperanza en la evolución estelar todavía. Por supuesto, las complicaciones pueden ser abrumadoras, pero esto solo significa que todavía hay mucho trabajo por hacer. Así que vamos a tener en mente de las suposiciones y aproximaciones que hacemos, ¿verdad?

Nota: Colaboro activamente con Martin Asplund, co-autor del artículo de hoy. Pero no estoy en ninguna forma involucrado con el astrobite original.