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Rebeldes sin causa: estrellas que falsean la edad de sus cúmulos

Título del artículo técnico: Discrepancies in the ages of young star clusters; evidence for mergers?

Autores: Emma R. Beasor, Ben Davies, Nathan Smith and Nate Bastian.

Institución del primer autor: Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University

Estado: Aceptado para su publicación en MNRAS

Para estudiar poblaciones de estrellas en astrofísica se usa una herramienta muy útil llamada el diagrama de Hertzprung-Russel o diagrama HR, mostrado en la Figura 1. Aquí representamos la luminosidad (o la magnitud absoluta) de las estrellas frente a su temperatura efectiva (o color, esto es, diferencia entre la magnitud de la estrella en dos filtros distintos, y da una idea de en qué longitudes de onda emiten las estrellas la mayor parte de su luz). La mayoría de las estrellas se agrupan en una línea diagonal en este diagrama llamada la secuencia principal (“Main Sequence” en la Figura 1). Éste es el lugar donde pasarán la mayor parte de su vida, hasta agotar el hidrógeno en su núcleo y evolucionar saliendo de la secuencia principal.

Figura 1: Diagrama HR indicando la posición de los distintos tipos de estrellas de acuerdo a su temperatura y luminosidad. El gradiente de color representado da una idea del color de las estrellas según su temperatura. A la izquierda se sitúan estrellas más calientes (más azules, esto es, emiten mayor cantidad de luz en la zona azul del espectro electromagnético), y de igual forma, a la derecha se sitúan estrellas más rojas y frías. En la parte superior se sitúan estrellas más masivas y brillantes. Crédito: Imagen de archivo.

 

Figura 2: diagrama HR mostrando la secuencia principal y el camino evolutivo que tendría una estrella como el Sol. Fuente: este astrobite

Una estrella como el Sol se moverá hacia la rama de las gigantes rojas (RGB, por sus siglas en inglés), y luego pasará por la rama horizontal (HB) hacia la rama asintótica de las gigantes (AGB). En la figura 2 se ve mejor este proceso. En esta figura se puede ver también el llamado punto turnoff, que es el lugar donde la estrella sale de la secuencia principal (donde pone “H-core exhaustion”).

Si tenemos el diagrama HR de las estrellas de una galaxia, veremos probablemente varias ramas RGB y AGB, puesto que tendremos varias generaciones de estrellas que nacen con cada nuevo brote de formación estelar. Sin embargo, si miramos un diagrama HR de un cúmulo estelar deberíamos ver tan sólo un punto turnoff, puesto que todas las estrellas del cúmulo se formaron a la vez (y a partir de la misma nube molecular). Pero en cúmulos de edades intermedias y viejas, se han visto casos de puntos turnoff muy extendidos, o de estrellas que se sitúan por encima de este punto (las llamadas “blue stragglers”). Se piensa que esto es un efecto de la rotación estelar, o que se debe al rejuvenecimiento de las estrellas, bien porque acretan masa de una compañera, o porque directamente se fusionan. En este trabajo se caracterizan por primera vez estos efectos en cuatro cúmulos estelares jóvenes (con edades inferiores a 20 millones de años), dos pertenecientes a nuestra galaxia y otros dos que se encuentran en una de nuestras galaxias satélite, la Gran Nube de Magallanes.

Pero, ¿cómo se puede conocer la edad de un cúmulo estelar? En este trabajo se utilizan hasta tres métodos diferentes:

  1. Usando la estrella más brillante del punto turnoff, que es la más masiva que aún no ha agotado el hidrógeno en su núcleo. Podemos calcular su edad mediante el ajuste de curvas isócronas, que son líneas que indican en qué parte del diagrama se espera encontrar estrellas que tengan todas la misma edad. Las estrellas más masivas saldrán antes de la secuencia principal (son como estrellas de rock and roll, brillan mucho y su vida es agitada y corta), mientras que las menos masivas pasan mucho más tiempo en ella. Conforme pasa el tiempo, el punto de turnoff va bajando, así que viendo dónde se encuentra este punto para un cúmulo concreto se puede saber la edad del mismo.
  2.  Modelando la llamada función luminosidad para las estrellas más brillantes de la secuencia principal (también cerca del punto turnoff). Este método es parecido al anterior, pero ahora ajustando las edades para más estrellas, por lo que se disminuye el error estocástico.
  3. Usando la supergigante roja de menor luminosidad bolométrica (la luminosidad integrada en todas las longitudes de onda). Tras cruzar el diagrama HR, cuando la estrella llegue a la rama de supergigantes rojas (rama asintótica) volverá a tener una luminosidad parecida a la que tenía en la secuencia principal, a menos que sea producto de una fusión de estrellas. Pero en un cúmulo estelar, si todas las estrellas se formaron a la vez, asumimos que la supergigante roja de menor luminosidad bolométrica habrá evolucionado de una sola estrella, y se habrá unido a esta rama recientemente. De nuevo, calculando su edad mediante ajuste de isócronas podremos tener una estimación de la edad del cúmulo.

Con estos tres métodos determinan las edades de los cuatro cúmulos, encontrando poca diferencia entre las edades determinadas con los métodos 1 y 2 (todos los cúmulos serían muy jóvenes, con edades comprendidas entre 6 y 13 millones de años). Sin embargo, el método 3 indica que los cúmulos son mucho más viejos: tendrían entre 20 y 24 millones de años de edad. En la Figura 3 se pueden ver las curvas isócronas ajustadas para cada método en los diagramas HR de los cúmulos.

Figura 3: Figura 4 del artículo original. Diagramas HR de los cuatro cúmulos con las curvas isócronas ajustadas para cada método: en azul para el método 1, en verde para el 2 y en rojo para el método 3. La estrella morada indicada en cada diagrama representa la estrella más brillante sobre el punto turn-off, usada para el cálculo de la edad con el método 1.

 

¿Cuál puede ser el motivo de estas edades tan dispares?

La rotación estelar puede ser un factor a tener en cuenta, puesto que estrellas que rotan más rápido pasan más tiempo en la secuencia principal. Sin embargo los autores descartan que esta sea la única explicación, puesto que usando modelos que la incluyen llegan a resultados parecidos.

Entonces, la explicación más probable es que las estrellas más brillantes sobre el punto de turnoff, que son las que se han usado en los métodos 1 y 2, sean en realidad “blue stragglers”, producto de fusiones de estrellas, y más azules y brillantes de lo que les correspondería por su edad. De este modo, falsearían la edad de los cúmulos, haciendo que parezcan más jóvenes de lo que en realidad son. Ésta es la primera evidencia de este efecto en cúmulos estelares tan jóvenes, aunque confirma predicciones teóricas previas.

Por último, los autores realizan simulaciones de cúmulos estelares para probar los tres métodos de estimación de edades, generando unos 1000 cúmulos estelares sintéticos a los que asignan edades concretas. Tras re-calcularlas con los tres métodos, encuentran que los métodos 1 y 2 subestiman la edad de los cúmulos un 25 % debido a efectos de rotación, pero incluyendo estrellas binarias en los cúmulos sintéticos, encuentran que estos dos métodos subestiman aún más sus edades reales. Así que, si alguna vez quieres saber la edad de un cúmulo estelar, nunca confíes en las estrellas sobre el punto de turnoff. ¡Sus compañeras supergigantes rojas son más de fiar!

Comentarios

3 comentarios en “Rebeldes sin causa: estrellas que falsean la edad de sus cúmulos

  1. Me gusta mucho la pagina, admiro su trabajo. Soy aficionada a la astronomía y leer sus artículos me sirve de mucho para seguir inculcandome en la ciencia.
    En mi país des afortunadamente no tenemos la carrera de astronomía o algo a fin por eso estas paginas son de mucha ayuda.

    Publicado por Rho | 19/03/2019, 16:53

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