Cúmulos abiertos viejos, más extensos y masivos de lo que se pensaba

• Autora: Natalia Alvarez Baena
• Institución: Departamento de Astronomía, Universidad de Antíoquia, Medellín, Colombia.
• Etiquetas: Cúmulos Abiertos,  Vía Láctea, Gaia.

Natalia Alvarez Baena es estudiante del programa de astronomía de la Universidad de Antioquia (Colombia). Natalia realizó su investigación como parte del RECA Internship Program 2021 bajo la supervisión del Dr. Ricardo Carrera INAF-Obsservatorio Astronomico di Padova (Italia). Los resultados preliminares de esta investigación se presentaron en el Simposio RECA Internship 2021.

 

Los cúmulos abiertos son agrupaciones estelares ubicadas cerca del plano galáctico que contienen desde unas pocas decenas hasta varios miles de estrellas ligadas gravitacionalmente, presentando así un amplio rango de masas. Las estrellas pertenecientes a un mismo cúmulo abierto nacieron a partir de una misma nube molecular en un único episodio de formación y por tanto comparten edad, composición química y propiedades cinemáticas, lo que facilita su identificación.

La evolución dinámica de los cúmulos abiertos está fuertemente condicionada por la dinámica colisional interna, por ejemplo, encuentros entre estrellas, pérdida de masa por vientos estelares e interacciones externas con nubes moleculares o el disco Galáctico. Estos fenómenos modifican la estructura del cúmulo y su distribución interna. Las estrellas masivas tienden a concentrarse en la parte central mientras que las menos masivas son expulsadas hacia las regiones externas, proceso que se conoce como segregación de masas o relajación. Estos procesos son tan efectivos que un cúmulo abierto típico, con diez mil veces la masa del Sol, se disolvería en menos de 1 Ga (mil millones de años), lo cual indicaría que la supervivencia de un cúmulo depende de su estructura.

¿Cómo es la estructura de estos cúmulos que les ha permitido sobrevivir tanto tiempo?

Usando la última publicación de datos de Gaia (Gaia EDR3), que incluye medidas de alta precisión de posiciones en el cielo, paralajes, movimientos propios y las magnitudes fotométricas en tres bandas, se estudiaron 6 cúmulos con edades mayores a 1 Ga: NGC 188, NGC 2420, NGC 2425, NGC 2682 (Messier 67), NGC 6791 y NGC 6819 (Figura 1). De esta muestra, NGC 2682 tiene una edad y composición química similar a la del Sol, y de hecho fue propuesto como posible lugar de nacimiento de nuestra estrella, hipótesis desechada a partir de simulaciones dinámicas (ver Pichardo y cols 2012, para una discusión detallada). Otro de los sistemas es NGC 6791, uno de los cúmulos más viejos conocidos, con un contenido en metales muy superior al del Sol y con una apariencia similar a los cúmulos globulares. De hecho su origen no es conocido y en la literatura se ha sugerido que se podría haber formado en el bulbo galáctico o incluso fuera de nuestra galaxia. La muestra se completa con otros cúmulos NGC 188, NGC 2420 y NGC 6791 que se encuentran a más de 2000 años luz del disco galáctico.

Los datos de Gaia EDR3 se usaron para identificar las estrellas pertenecientes a cada cúmulo hasta una distancia de 150 pc desde el centro del cúmulo (poco menos de 500 años luz) usando la herramienta UPMASK. Esta se basa en un algoritmo de agrupamiento construido a partir de la idea de que las estrellas del cúmulo deben compartir propiedades en el espacio tridimensional formado por las componentes de ascensión recta y declinación del movimiento propio, es decir, se mueven en la misma dirección y con la misma velocidad, y los paralajes, están a la misma distancia, además de estar más concentrados en el plano del cielo que una distribución aleatoria.

Como herramienta principal de diagnóstico utilizamos los perfiles de densidad radial obtenidos a partir de la densidad estelar a diferentes distancias desde el centro de cada cúmulo (Figura 2). Adicionalmente, se han estimado distancias para investigar la estructura tridimensional de cada cúmulo usando una aproximación Bayesiana a la inversión de paralajes.

 

Los cúmulos estudiados son mucho más extensos de lo que se pensaba.

Todos los cúmulos estudiados presentan una clara segregación de masas, siendo esto evidencia de una avanzada evolución dinámica. Las estrellas más masivas están concentradas en la región central y son las responsables de la apariencia visual de cada cúmulo (Figura 1). Las menos masivas han sido desplazadas hacia las regiones más externas y eventualmente dejarán de estar vinculadas gravitacionalmente al sistema.

Para la mayoría de los cúmulos estudiados (NGC 2420, NGC 2425, NGC 6791 y NGC 6819) el tamaño es mucho más grande que los 500 años luz estudiados ya que la densidad radial continúa decreciendo a medida que nos alejamos del centro del sistema sin poderse identificar su borde (Figura 2). Esto implica que los cúmulos son mucho más extensos de lo que se pensaba anteriormente, y por tanto mucho más masivos, lo que les ha permitido sobrevivir hasta el momento actual. Por ejemplo, en el caso de NGC 6791 se había estimado un tamaño de unos 100 años luz, cinco veces menos de lo encontrado en este trabajo.

Para los otros dos cúmulos, NGC 188 y NGC 2682 (M67), encontramos que la densidad de estrellas se aplana a partir de cierta distancia que es lo que se considera como radio de marea del cúmulo: la distancia a partir de la cual las estrellas dejan de estar ligadas gravitacionalmente al sistema, que para NGC 188 y NGC 2682 se encuentra alrededor de 100 años luz. En cualquier caso, el tamaño encontrado para cada cúmulo es más del doble de lo que se creía hasta el momento. Esto implica que son mucho más masivos de lo pensado, lo que explica que hayan podido sobrevivir hasta el momento actual.

Las estrellas que encontramos más allá de este radio de marea deben haberse desvinculado del cúmulo y pasan a formar parte de las poblaciones de campo del disco galáctico. El hecho de que observemos cómo los cúmulos están perdiendo miembros implica que estos debieron ser incluso más masivos en el momento de su formación.

Este estudio permitió estudiar la estructura de seis cúmulos abiertos viejos para los cuales se analizaron sus perfiles de densidad encontrando que los seis cúmulos presentan segregación de masa y se extienden más allá de 100 años luz con tamaños que son por lo menos el doble de los previamente estimados y como consecuencia son más masivos. Así pues, para haber sobrevivido su propia evolución dinámica hasta hoy, debieron ser aún más masivos en su formación.

Este articulo hace parte de una serie de entradas que muestran los resultados del los proyectos de investigacion realizados en el programa se pasantias de la red Colombiana de estudiantes en astronomia (RECA). Este program se llevo acabo entre Mayo y Agosto del 2021