Un día ventoso en la Vía Láctea

Título del artículo técnico: Winds in Star Clusters Drive Kolmogorov Turbulence

Autoress: Monica Gallegos-Garcia, Blakesley Burkhart, Anna Rosen, Jill P. Naiman, and Enrico Ramirez-Ruiz

Institución del primer autor: Department of Physics and Astronomy & CIERA, Northwestern University

Estado: Enviado a ApJL [open access]

Astrobite original: A Windy Day in the Milky Way por Michael Foley

La turbulencia, es decir, los cambios caóticos en la presión y velocidad de un fluido, es uno de los grandes misterios de la física clásica. Sabemos que gran parte del gas en las galaxias es turbulento, pero los mecanismos que desarrollan y mantienen esta turbulencia siguen siendo áreas de investigación activa. Mientras que aun no conocemos los detalles de la física tras la turbulencia, mucho tiempo y esfuerzo se ha puesto en identificar estadísticas que nos puedan decir si el gas es turbulento o no. En otras palabras, sabemos qué apariencia tiene la turbulencia, incluso si no sabemos todos los detalles de cómo funciona (mira este video de youtube, en inglés, que contiene una buena introducción a la turbulencia y al espectro de potencias, una estadística usada en el artículo de hoy). El pronóstico del clima para hoy incluye fuertes vientos soplando desde ArXiV con forme exploramos un nuevo artículo que estudia cómo los vientos estelares de cúmulos de estrellas pueden producir tal turbulencia.

Los vientos estelares, particularmente aquellos de estrellas masivas como las tipo O o B, crean burbujas que se expanden como esferas en el gas frío circundante, empujándolo hacia afuera y dejando una cavidad detrás. Estas son análogas de las burbujas que vemos en la Tierra, que se crean cuando el aire empuja algún otro medio. En el caso de una burbuja de viento estelar, el “aire” es material caliente del viento estelar. Cuando las estrellas masivas se encuentran en cúmulos estelares, sus burbujas tienden a superponerse y formar una “superburbuja”. Un ejemplo increíble es el cúmulo de la nebulosa de Orión (figura 1). Los autores del artículo de hoy corrieron simulaciones que aproximadamente imitan el perfil estelar del cúmulo de la nebulosa de Orión, y también encuentran la creación de una gran superburbuja.

En estas simulaciones las estrellas más masivas expulsan gas a alta velocidad, gas caliente que llena la superburbuja y empuja hacia afuera, adentrándose en gas más frío. Esta expansión produce un grueso cascarón a una temperatura intermedia (figura 2). Debido a que este cascarón es más denso que el gas caliente central, es capaz de enfriarse más rápido y permanecer mucho más frío que la superburbuja interior. Conforme la simulación progresa, aparecen inestabilidades turbulentas en el gas caliente dentro del cascarón.

Un resultado interesante de estas simulaciones es la diversidad en velocidades a las que el gas está viajando. La figura 3 muestra el número de Mach del gas, una medida de qué tan rápido está viajando el gas relativo a la velocidad del sonido en ese gas. Es el mismo número de Mach que se usa para discutir sobre automóviles muy rápidos o aviones—cualquier cosa que viaje a una velocidad mayor a Mach uno resultará en un choque supersónico. En este caso, el cascarón de la burbuja está viajando a un número de Mach mayor que uno como un choque supersónico que empuja el material circundante. De todas formas, la figura 3 también demuestra que el gas interior es casi completamente subsónico y que está sujeto a fuertes fluctuaciones de velocidad a través de la burbuja. Dicho de otro modo, incluso aunque los vientos estelares producen un choque supersónico, también producen turbulencia subsónica dentro de la burbuja.

Para poder asegurar que el gas caliente dentro de la burbuja es realmente turbulento, los autores eligen una estadística conocida como el espectro de potencias, que les permite ver cuánta energía se mueve desde grandes escalas en la simulación hasta escalas pequeñas. La figura 4 muestra el espectro de potencias en diferentes momentos de la simulación. El típico espectro de potencias esperado para una turbulencia subsónica es una ley de potencias con una pendiente de -5/3 (conocida como turbulencia de Kolmogórov). Los autores encuentran que su simulación prácticamente se aproxima a este estado conforme el tiempo evoluciona, indicando que los vientos estelares están de hecho produciendo principalmente turbulencia subsónica.

Este es un emocionante resultado que indica que los cúmulos estelares podrían tener un importante papel que jugar en producir y mantener la turbulencia en las galaxias. Modelar la turbulencia es crucial para entender muchos procesos en la evolución de galaxias, tales como la formación estelar. A través de simulaciones como esta, los astrónomos pueden obtener una idea más exacta de por qué el gas en las galaxias se comporta como lo hace y cómo puede formar nuevas estrellas, sistemas solares, e incluso a nosotros.