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Entendiendo la música de las estrellas Delta Scuti con TESS

Título: Very regular high-frequency pulsation modes in young intermediate-mass stars

Autores: T. R. Bedding, S. J. Murphy, D. R. Hey, D. Huber, T. Li, B. Smalley, D. Stello, T. R. White, W. H. Ball, W. J. Chaplin, I. L. Colman, J. Fuller, E. Gaidos, D. R. Harbeck, J. J. Hermes, D. L. Holdsworth, G. Li, Y. Li, A. W. Mann, D. R. Reese, S. Sekaran, J. Yu, V. Antoci, C. Bergmann, T. M. Brown, A. W. Howard, M. J. Ireland, H. Isaacson, J. M. Jenkins, H. Kjeldsen, C. McCully, M. Rabus, A. D. Rains, G. R. Ricker, C. G. Tinney and R. K. Vanderspek

Institución del primer autor: Sydney Institute for Astronomy (SIfA), School of Physics, University of Sydney, Camperdown, New South Wales, Australia

Estado: Publicado en Nature

Astrobites original: Understanding the music of Delta Scuti stars with TESS by Oliver Hall

Declaratoria: El autor original de este Astrobite trabaja en el mismo grupo de investigación cómo algunos de los co-autores del artículo, pero no fue involucrado en el presente trabajo.


A medida que las estrellas evolucionan hacia la secuencia principal, comienzan a quemar hidrógeno en sus núcleos, produciendo energía. A medida que la energía se lleva hacia la superficie, el transporte de calor puede causar que las estrellas se expandan y contraigan, lo que hace que su brillo varíe. El estudio de esta variabilidad estelar se llama astrosismología y nos informa sobre lo que sucede dentro de las estrellas, usando lo que observamos que sucede en su superficie.

Las estrellas de diferentes masas y etapas evolutivas oscilan en diferentes formas.  Una clase de estrellas variables son las llamadas estrellas delta Scuti (δ Scuti). Estas incluyen estrellas de la secuencia principal con masas entre aproximadamente 1.5 y 2.5 veces la masa del Sol. Las observaciones de las estrellas δ Scuti han permitido a los astrónomos construir una relación entre el período de su oscilación más fuerte y su luminosidad, permitiéndoles calcular distancias a estas estrellas.

Sin embargo, para comprender realmente las estrellas oscilantes, es importante ir más allá de las relaciones período-luminosidad, mediante la caracterización de las frecuencias de oscilación individuales. Esto se hace comúnmente para las estrellas que oscilan de la misma manera que nuestro Sol (osciladores de tipo solar), que exhiben oscilaciones a frecuencias espaciadas de manera uniforme. Si las estrellas muestran oscilaciones de frecuencias espaciadas uniformemente, entonces la astrosismología puede usarse para estudiar un rango más amplio de sus propiedades fundamentales. Sin embargo, para las estrellas δ Scuti observadas por la misión Kepler, no apareció ese patrón tan claro. En cambio, sus modos de oscilación parecían estar distribuidos casi aleatoriamente. Esto ha hecho que sea imposible para los astrónomos analizar las estrellas δ Scuti con más detalle y descubrir sus propiedades como su edad.


Figure 1: Frecuencias de pulsación de 4 estrellas δ Scuti encontradas que tienen frecuencias de oscilación regularmente espaciadas. Las inserciones expanden el eje vertical para mejorar la visibilidad de los picos débiles. El valor de Δν, es el espaciado de frecuencia promedio, se muestra a la derecha. Adaptación de la Figura 1 del artículo original.

Nueva misión, nuevos datos

Los autores de hoy, se propusieron cambiar el estudio de las estrellas δ Scuti al encontrar un patrón regular en las oscilaciones de estas estrellas. Tales estrellas con espaciados regulares se habían encontrado antes, pero en cantidades limitadas. Con el fin de determinar un patrón consistente de las oscilaciones en las estrellas δ Scuti, se necesitaría una muestra mucho más grande de estrellas para estudiar. La solución para encontrar este patrón fue a través de la nueva misión TESS. Con su enfoque de todo el cielo, TESS observó cientos de miles de estrellas en intervalos de 27 días, a diferencia de la misión Kepler, que solo se centró en un parte del cielo.

Para encontrar estos patrones regulares, los autores de hoy construyeron un código para estudiar miles de posibles candidatas a estrellas δ Scuti observadas por Kepler y TESS, destacando aquellas que mostraban pulsaciones a altas frecuencias (30 o más ciclos de pulsación por día). se enfocaron en el régimen de alta frecuencia ya que el espaciado regular de los modos se interrumpe a bajas frecuencias, una propiedad común de múltiples tipos de estrellas variables. De toda la muestra, identificaron 60 estrellas con modos de oscilación regularmente espaciados. El espectro de pulsación de una muestra de estas se muestra en la Figura 1, mostrando la estructura repetitiva.

Las estrellas como δ Scuti oscilan en muchas frecuencias al mismo tiempo (imagina el sonido de alguien que se duerme en un piano). Esto crea un amplio espectro de modos de oscilación en un espectro de pulsación de la estrella. Al observar los diagramas échelle de estas estrellas (Figura 2), se pudo determinar con precisión el espaciado regular de los modos de oscilación, Δν. Debido a que diferentes oscilaciones viajan a través de diferentes partes de la estrella, Δν transporta información sobre cómo cambia la velocidad del sonido dentro de la estrella, la cual está vinculada a la densidad estelar promedio.

Figure 2: Diagrama échelle de un espectro de pulsación de la estrella δ Scuti HD 99506. Un diagrama échelle en este caso representa un espectro de pulsación (ver Figura 1) dividido en segmentos de una longitud igual al espaciado de la frecuencia promedio (Δν) y apilados uno encima del otro . La línea discontinua indica Δν, y el área de la derecha se superpone con la siguiente fila hacia arriba. Esto se ilustra para una fila con un cuadro y una flecha, como ejemplo. Los símbolos superpuestos rojos son donde los modos de oscilación deberían aparecer de acuerdo con los modelos estelares. Los círculos indican los modos radiales de oscilación (la estrella se expande y se contrae), y los triángulos indican los modos dipolares (los hemisferios se expanden y contraen alternativamente). La escala de colores indica amplitud, por lo que las regiones más oscuras representan picos en el espectro de pulsaciones. Nota como para las frecuencias más bajas (<30 oscilaciones por día) se altera la estructura regular. Adaptadtación de la Figura 2 del artículo original.

¿Qué es lo que cambia?

Esta gran muestra de estrellas δ Scuti con oscilaciones espaciadas uniformemente en frecuencia representa solo una pequeña fracción del número total de estrellas estudiadas. ¿Qué hace que estas estrellas sean especiales? Los autores consideran dos razones potenciales.

La primera, al comparar su muestra de estrellas con las trazas evolutivas (ver Figura 3), descubren que las estrellas con espaciados regulares todavía están al principio de su vida en secuencia principal. Las edades jóvenes de estas estrellas podrían ser la razón: a medida que evolucionan las estrellas oscilantes, sus modos de oscilación que se propagan cerca de la superficie comenzarán a interactuar con los que se propagan en el núcleo estelar, interrumpiendo sus frecuencias de oscilación. En otras palabras, esta muestra de estrellas δ Scuti con frecuencias de oscilación uniformemente espaciadas pueden ser más jovenes que las observadas por Kepler.

En segundo lugar, plantean la hipótesis de que esto podría deberse a cómo las estrellas en su muestra están orientadas en el espacio. Las estrellas δ Scuti generalmente rotan muy rápido (alrededor de 2 días, en lugar de 24 días para nuestro Sol). En las estrellas oscilantes, con rotación rápida pueden dividir los modos de oscilación e interrumpir el patrón de espaciado uniformemente. Sin embargo, este efecto solo se muestra en las observaciones,si se percibir a la estrella como giratoria. Si la vemos desde el polo, los efectos de la rotación son invisibles para nosotros.

Para verificar esto, los autores de hoy usaron los espectrógrafos HIRES y NRES para medir la velocidad rotacional proyectada (definida como v sin (i), donde v es la velocidad e i es el ángulo de inclinación del ecuador de la estrella con respecto a nosotros) de las 60 estrellas con espaciados regulares. Encontraron que su muestra incluía muchas estrellas con bajo v sin (i). Esto implica que sus ángulos de inclinación son muy bajos (es decir, vistos desde el polo). Quizás la única razón por la que se observa un espaciado regular en esta muestra es porque no se observan los efectos de la rotación rápida de δ Scuti.

Figura 3. Un diagrama de Hertzsprung-Russell que muestra la ubicación de las 60 estrellas con picos regularmente espaciados en la muestra. La línea negra indica la secuencia principal de edad cero (ZAMS), el inicio de la vida en secuencia principal de estrellas. Las líneas rojas son las trazas evolutivas para diferentes masas estelares. Las estrellas comienzan desde la línea negra y se mueven a lo largo de las líneas rojas a medida que evolucionan. L representa la luminosidad, Teff la temperatura efectiva y Δν el espaciado de frecuencia promedio. Los puntos débiles grises son estrellas δ Scuti observadas por la misión Kepler. Las líneas azules y moradas representan los bordes teóricos y observados de la zona de inestabilidad para las δ Scuti (es decir, las estrellas dentro de la zona de inestabilidad deben exhibir oscilaciones similares a las δ Scuti). Adaptación de la Figura 3 del artículo original.

Ciencia nueva con estrellas  δ Scuti

Usando su nuevo entendimiento del espaciado regular de las oscilaciones en estas estrellas, los autores de hoy, pudieron identificar los harmónicos exactos a los que pertenecía cada oscilación. Esto abre comparaciones detalladas con los modelos estelares de estas frecuencias, que anteriormente no eran posible para las estrellas δ Scuti.

Uno de los ejemplos que muestra la nueva ciencia es que es posible con las estrellas δ Scuti la determinación de la edad de la estrella HD 31901, un miembro de una corriente distinta de estrellas que orbitan la Vía Láctea. Utilizando modelos estelares y sus frecuencias de oscilación recién medidas, encuentran una edad de 150 ± 100 millones de años. Esto estaba de acuerdo con las estimaciones de giroscronología de esta población estelar, por lo que este nuevo análisis de una estrella δ Scuti ha ayudado a limitar la edad de estas estrellas.

Esta nueva revolución en cómo entendemos a las estrellas δ Scuti apenas comienza con este estudio. A medida que TESS avanza a su misión extendida en julio de 2020, se espera que detecte un número mucho mayor de estrellas δ Scuti con patrones regularmente espaciados, extendiendo el alcance de la astrosismología más que nunca.

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