La vida de las estrellas inmortales del cosmos

• Artículo en el que se basa este astrobito: Effects of an Inmortal Stellar Population in AGN Disks

• Autoría: Adam S. Jermyn, Alexander J. Dittmann, B. McKernan, K. E. S. Ford, and Matteo Cantiello

• Institución del primer autor: Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, New York, NY, USA.
  

• Estado de la publicación: publicado en “The Astrophysical Journal”, vol. 923, p. 113. (https://arxiv.org/pdf/2203.06187.pdf)

¿Estrellas inmortales?

Hoy en día conocemos muy bien las diferentes etapas en la vida de una estrella: producen grandes cantidades de luz y radiación quemando y fusionando hidrógeno hasta que su combustible se acaba, dando lugar a una enana blanca, una estrella de neutrones, o un agujero negro, dependiendo de la masa de la estrella. Sin embargo, ¿es posible que una estrella viva para siempre y sea “inmortal”? ¿En qué condiciones puede llegar a ocurrir esto?

Para responder a estas preguntas tenemos que irnos en primer lugar algunos de los lugares del Universo con las condiciones más extremas: los núcleos activos de galaxias (AGNs por sus siglas en inglés). Estos objetos son núcleos galácticos con una actividad increíblemente alta, donde un agujero negro supermasivo (con una masa mayor a un millón de veces la masa del Sol, está absorbiendo gas y polvo de los alrededores a través de un disco de material que cae al interior del agujero negro, conocido como disco de acreción o acrecimiento (Figura 1).

Figura 1: Representación artística de la zona central de un AGN, con el agujero negro supermasivo en el centro, rodeado por un disco de acreción de material cayendo al interior del agujero negro (Crédito: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser).

La fuente de la eterna juventud
Las estrellas que se encuentran en la vecindad del disco son “capturadas” en su interior por el proceso de acreción, pasando a encontrarse dentro del mismo (como se muestra en la Figura 2).  Esto puede ocurrir, por ejemplo, cuando las estrellas pasan cerca del disco en su trayectoria o movimiento propio, interaccionando con él y perdiendo energía y velocidad hasta que acaban llegando a una órbita que rota con el disco, quedando atrapadas dentro de éste. Estos entornos tan extremos pueden afectar y alterar completamente la evolución de las estrellas que se encuentren en los discos. De hecho, el gas del disco de acreción abastece a la estrella de hidrógeno, de forma que ésta nunca llega a agotar su combustible ni a abandonar la secuencia principal. Como consecuencia, ¡estas estrellas no mueren nunca!

De este modo, dependiendo de la cantidad de gas que se encuentre en el disco y su tiempo de vida estimado, el grupo de autores responsable de este estudio estima que en una galaxia activa pueden existir entre 300 y 20000 estrellas inmortales. Estas estrellas, además de mantener sus procesos de fusión activos mientras se alimenten del hidrógeno del disco, ganan grandes cantidades de masa, llegando a convertirse en estrellas muy masivas, hasta unas 300 veces la masa del Sol. También desarrollarán entonces fuertes vientos estelares, expulsando al disco de acreción el helio resultante del proceso de fusión nuclear. Aunque las consecuencias de este enriquecimiento de helio no están todavía claras, estudiar la abundancia de este elemento en los discos de las galaxias activas puede ser una forma de encontrar estas estrellas tan peculiares.

Figura 2: Representación del modelo de disco utilizado en el estudio original. Dentro del radio de captura (representado como r_cap), estimado en unos 0.03 parsecs (unos 3.26 años luz), la mayoría de las estrellas de baja masa en la vecindad del disco son capturadas, mientras que fuera de este radio solo unas pocas pasan a formar parte del disco. Las estrellas dentro de un radio máximo (r_max), de unos 300-3000 parsecs, crecen rápidamente y se convierten en estrellas masivas inmortales. Aquellas fuera de este radio no se ven alteradas. La mayoría de las estrellas inmortales se concentran dentro del radio de captura.

Volviendo a la normalidad, recuperando la mortalidad

A medida que el disco de acreción se enriquece de helio, el material absorbido por las estrellas también tiene una cantidad cada vez más grande de este elemento, lo que acabará provocando un aceleramiento en el ritmo de fusión del hidrógeno. Una vez se disipa el disco de acreción y el proceso de actividad nuclear finaliza (se estima que estos procesos y períodos activos pueden durar varios millones o decenas de millones de años), las estrellas vuelven a convertirse en mortales al agotarse su fuente permanente de hidrógeno. De este modo, al final de su prolongada vida acabarán dando lugar a supernovas que tendrán como desenlace final la formación de un agujero negro.

El equipo firmante de este artículo sugiere que durante este período de actividad, estas estrellas tienen un gran impacto en la evolución de las regiones centrales de la galaxia, afectando a las abundancias de diferentes elementos y a la duración del disco de acreción antes de su disipación. Aunque las consecuencias de esta influencia todavía no están claras, estas estrellas podrían explicar, por ejemplo, la gran cantidad de estrellas muy masivas en la zona central de nuestra galaxia, que atravesó un período de actividad hace varios cientos de miles de años. También son posibles precursoras de agujeros negros con masas de unas 10 veces la masa del Sol una vez finalizan su prolongada vida, certificando la posible abundancia de estos agujeros negros que parece apreciarse en los resultados proporcionados por los detectores KAGRA, LIGO y Virgo de ondas gravitacionales.