03/12/2022

El fin del Sol

Las estrellas nacen, viven y mueren. Un poco como los seres vivos, pero muchísimo más lentamente. ¿Cómo lo sabemos, si nuestras observaciones ocurren a una escala temporal tan distinta que las vemos prácticamente invariables? Lo sabemos gracias a que podemos observar grandes cantidades de estrellas en cada etapa de existencia, y porque entendemos la física que las lleva de una a otra. No todas las estrellas viven la misma existencia: el principal determinante es su masa inicial. Las estrellas más pesadas (muy poquitas) viven rápido y terminan explotando como supernovas. Las estrellas medianitas (como el Sol) viven miles de millones de años y terminan formando hermosas y efímeras nebulosas (llamadas "planetarias," aunque no tienen nada que ver con los planetas) a su alrededor. Las más chiquitas (la inmensa mayoría de las estrellas del universo) viven muchísimo más, agotando su combustible de manera lenta y eficiente.


 

¿Cómo fue el Sol en el pasado, y qué le ocurrirá en el futuro? Para saberlo con certeza es necesario identificar estrellas análogas al Sol en distintas etapas de su evolución. La fuente ideal para hacerlo hoy en día es la inmensa población de estrellas relevada por el robot Gaia, que ha escudriñado con inhumanas paciencia y precisión más de mil millones de estrellas. Entre otras cosas, ha medido sus brillos y colores, que además de servirme para calcular el color de la Galaxia sirve para cosas más científicas. Resulta que si uno grafica el color en un eje horizontal y el brillo en un eje vertical, todas las estrellas aparecen agrupadas en una franja diagonal, más una nube por encima y una por debajo. Este diagrama se llama de Hertzsprung-Russell, y su descubrimiento es uno de los hechos centrales de la teoría de la evolución estelar desarrollada a lo largo del siglo XX. Otro día comentaré más sobre él. Hoy me limito a decir que la franja diagonal se llama secuencia principal, y es donde aparecen las estrellas que están fusionando hidrógeno en sus núcleos, como nuestro Sol. 

Gaia ha identificado 5863 estrellas con temperaturas, aceleracíon de la gravedad superficial, composición química, masa y radio similares a los del Sol. Es una cantidad 10 veces mayor que las que se conocían anteriormente. Sus espectros, que delatan la composición química, son parecidísimos. Están todos dentro de la franjita gris en esta figura:

Identificando en el diagrama H-R estrellas con la misma composición pero en distintas etapas de su existencia es posible reconstruir la historia del Sol, desde su origen hace 4570 millones de años hasta su lejano futuro como gigante roja dentro de 7000 millones de años. 

Como podemos ver, el Sol se está calentando (moviéndose hacia la izquierda), y lo seguirá haciendo durante miles de millones de años hasta que agote el hidrógeno en su núcleo y abandone la secuencia principal para convertirse en subgigante y luego en gigante roja, fusionando helio. Mucho antes de que esto ocurra las condiciones en la Tierra serán demasiado hostiles para la vida. Los océanos hervirán y desaparecerán, y finalmente toda la atmósfera se perderá en el espacio interplanetario. Los lejanos descendientes de la humanidad, si es que existen, deberán encontrar una solución a este destino infernal de la Tierra. Por ejemplo ¡moverla! (algo que alguna vez ya comentamos).



El diagrama de la evolución estelar es de Paulailustra (CC BY-SA). Las otras imágenes son de ESA/Gaia.

Gaia collaboration (y una página y media de autores individuales, Gaia Data Release 3: A Golden Sample of Astrophysical Parameters, Astronomy & Astrophysics (2022). Accesible libremente como arXiv:2206.05870v1.

Creevey et al. (sólo media página de autores), Gaia Data Release 3: Astrophysical parameters inference system (Apsis) I - Methods and content overview, Astronomy & Astrophysics (2022). Accesible libremente como arXiv:2206.05864v1.

Hay una nota mucho menos técnica que estos papers en el sitio de Gaia: How Big, Warm, Old, … Are the stars? Gaia’s stellar parameters.

26/11/2022

Los Pilares del Webb

En julio publiqué un comentario sobre los famosos Pilares de la Creación, la emblemática región de formación estelar en la constelación del Águila (fotografiada por el telescopio Hubble en los 90s) y su aspecto en una foto mía hecha con poca paciencia y un teleobjetivo común y corriente. El telescopio Webb publicó su propia versión, en infrarrojo cercano, y poco después otra, en infrarrojo medio. Las nuevas fotos son espectaculares, hermosas, e ilustran las diferencias entre los dos emblemáticos telescopios espaciales. Así que se han ganado un lugar aquí. Hice un montaje de las cuatro fotos:


Pueden cliquearla para verla un poco más grande, pero las imágenes están enormemente reducidas para ponerlas aquí. Recomiendo fuertemente a los interesados ir a explorar las de máxima resolución originales: aquí, aquí, aquí y aquí.

Es notable cómo cuatro imágenes del mismo objeto pueden ser dramáticamente diferentes. La foto en el espectro visible del Hubble es la más famosa. No es una imagen de espectro completo, sino que está tomada con filtros de banda angosta (dos rojos parecidos y uno verde), reconstruyendo una imagen en "colores representativos" usando la famosa paleta del Hubble. A su lado vemos una imagen compuesta con el pedacito del infrarrojo que alcanza a ver el Hubble (creo que son 800 nm, apenas más acá del rojo). De los pilares quedan unos fantasmas, porque la radiación infrarroja puede atravesar el polvo que los forma, y vemos tanto dentro de ellos como las muchísimas estrellas del fondo, que en la imagen de luz visible ni siquiera se adivinan.

Las dos imágenes del Webb son infrarrojas. La del instrumento NIRCam es de la banda de infrarrojo cercano, y hay cierta similitud con la infrarroja del Hubble. Pero hay también grandes diferencias. La principal es la resolución, que arriba no se aprecia del todo, así que he aquí un detalle:


A la mayor resolución del Webb las estrellas se ven muchísimo mejor. Pero, además, la imagen obtenida a partir de varias bandas infrarrojas permite observar muchas más características del material de la nebulosa. ¿Qué es eso que estamos viendo? Resulta que en las etapas finales de la existencia de las estrellas gigantes hay abundantes elementos pesados en sus capas exteriores. Cosas como sílice, aluminio, magnesio, oxígeno, carbono, etc. En sus intensos vientos estelares, y también cuando terminan explotando como supernovas, se forman silicatos (o sea, minerales como los de las rocas terrestres) y compuestos complejos de carbono, hidrógeno y oxígeno (o sea, hollín, benceno, etc), en forma de pequeñas partículas, micrométricas. En la Tierra lo llamaríamos humo, pero los astrónomos lo llaman "polvo". Este polvo, junto con el abundante gas hidrógeno de la galaxia, llena el espacio entre las estrellas, y es el material al partir del cual se forma la siguiente generación de estrellas. Esto ocurrió hace pocos millones de años en la nebulosa del Águila, donde un cúmulo de gigantescas estrellas recién nacidas está literalmente erosionando, con radiación ultravioleta, la nube de polvo de la cual nacieron. Igual que en la Tierra, algunas partes resisten la erosión mejor que otras, y se forman estas formas caprichosas, en cuyo interior siguen naciendo estrellas. El fondo difuso (celeste en la imagen NIRCam y naranja en la imagen MIRI) es probablemente sólo gas residual brillando por fluorescencia

La imagen de infrarrojo medio, MIRI, es más rara todavía. La banda espectral de este instrumento va desde los 5 a los 28 micrones, que son temperaturas "tibias" (nosotros brillamos a 10 micrones, por ejemplo). Aquí vemos directamente el polvo brillando y las estrellas en formación en su interior. ¿Y dónde fue a parar la multitud de estrellas del fondo, tan abundantes en las dos imágenes de infrarrojo cercano, de ambos telescopios? Lo que pasa es que las estrellas en general no emiten mucha radiación en esta región del espectro. Las estrellas emiten mayormente luz visible y ultravioleta, como el Sol. Salvo que sean estrellas en formación, o estrellas muy "frías". Cerca de la punta del pilar mayor, una estrella invisible en longitudes de onda más cortas forma un prominente ojo infrarrojo en lo que parece una cabeza de dragón. Debe ser una estrella muy joven o en formación en el interior de la nube. 

En estas regiones de activa formación estelar hay una competencia entre mecanismos opuestos: la imparable acción de la gravedad (que tiende a comprimir estas nubes al colapsarlas sobre las partes más densas), el enfriamiento que produce la tenue radiación del polvo, y la rabiosa radiación de las jóvenes estrellas (que se forman al comprimirse la nebulosa), que tiende a empujarla y disiparla. Estas imágenes, especialmente al observar de manera repetida los mismos objetos, permiten entender cómo y a qué velocidad operan estos mecanismos, que son los responsables del reciclado de la materia en la galaxia y, en definitiva, de la aparición de seres pensantes como nosotros.

Las fotos astronómicas son hermosas, pero su interpretación puede volverse complicada. Mucha gente lo disfruta, y constituye buena parte de la inspiración que producen. La ciencia que esconden está todavía más oculta y enmarañada en las luces que las forman, y llevará muchos años aprovechar a fondo la abundancia de datos que el Webb está produciendo a mares. 



Todas las imágenes son de NASA/ESA/Hubble y de NASA/ESA/CSA/Webb, manipuladas, rotadas, recortadas y ensambladas por mí.

19/11/2022

Dracarys

¿Se imaginan estar parado frente a la boca abierta de un dragón, y ver un fulgor rojo en la profundidad de sus fauces, seguido del aliento abrasador? Bueno, algo así ocurrió el día 9 de octubre de 2022, a las 13:16:59 UT. El telescopio espacial Swift (gamma/X/UV) detectó un brote de rayos gamma (gamma-ray burst, GRB) viniendo de la constelación de la Flecha. El GRB 221009A, de 10 horas de duración, fue inusualmente largo y uno de los más poderosos jamás registrados. 


Este videíto hecho por el telescopio espacial Fermi muestra cómo el brillo de la explosión supera con exceso el de la Vía Láctea, cuya franja vemos en diagonal.

Estas explosiones de rayos gamma son todavía un poco misteriosas, en particular porque son raras, breves y lejanísimas, así que son difíciles de estudiar en detalle. El nombre de Swift ("veloz") se debe a que rápidamente avisa a todos los observatorios del mundo y alrededores para que le apunten. En este caso el resplandor posterior, en todas las longitudes de onda, fue tan brillante que fue fotografiado hasta por aficionados con telescopios de 60 cm, a pesar de haberse originado a 2400 millones de años luz de nosotros. El brote de rayos gamma disparó un brote de actividad astronómica, al que se sumó el gran Observatorio Gemini (en el cual participa la Argentina):

Ahí vemos el GRB, en medio de las estrellas de Sagitta. En el espectro visible no parece gran cosa. Pero entre los sorprendentes datos reportados sobre este inusual evento transitorio encontré que el experimento LHAASO observó miles de fotones de energía extremadamente alta, alrededor de 18 TeV (y el Baksan Neutrino Observatory reporta un fotón de 251 TeV). ¿Cuánto es 18 tera electrón volts? Es 18 veces la energía cinética de un mosquito volando. No parece mucho, pero ojo que está ¡toda concentrada en una sola partícula subatómica! Un fotón de luz visible, de los que nos llegan del Sol, tiene 2 eV, que es 10 000 000 000 000 veces menos. Por supuesto, aparecieron inmediatamente preprints en el arXiv (se dice árcaiv) sugiriendo que estos fotones indicaban la existencia de partículas exóticas tipo axiones (¿materia oscura?), o incluso física anómala como la violación de la invariancia de Lorentz en la producción de pares electrón-positrón. Y también los que dicen que la física está bien como está, que se dejen de embromar. 

En todo caso, el chorro de energía que bañó la Tierra desde la profundidad del universo fue tan fuerte que la atmósfera entera del planeta se sacudió, como muestra esta imagen del sistema indio de monitoreo de rayos (rayos comunes, de tormenta):

La constelación de Sagitta está bien en medio del plano de la Vía Láctea, así que en el tramo final de su viaje hacia nosotros ese chorro de fotones tuvo oportunidad de interactuar con abundante material interestelar. Una imagen del observatorio Swift muestra en rayos X esta linda estructura:

En el centro está la fuente del GRB, y alrededor vemos anillos concéntricos, que son rayos X reflejados en el polvo interplanetario de nuestra Vía Láctea, rayos que de otro modo le habrían errado a la Tierra. Algo parecido al halo que vemos alrededor del Sol los días que hay nubes altas muy finitas. 

¿Qué produce estos GRBs? Como dije, no se sabe mucho, porque son raros, efímeros y lejanísimos. El modelo físico que explicaría los GRB muy largos, como éste, dice que se deben a una explosión de supernova muy intensa, muy brillante, en la cual fuertes campos magnéticos enfocan la energía de la explosión en dos chorros polares, y que vemos el GRB cuando uno de estos chorros apunta hacia la Tierra. Algo parecido a los chorros de los quasars, que hemos comentado más de una vez, pero debidos a una explosión y no a la radiación continua que surge de la proximidad de un agujero negro supermasivo. Pero aún así se requiere una explosión muy fuerte, no una supernova usual, sino una hipernova, o supernova de aniquilación de pares, o la formación de una magnetar. Algo que sólo pueden producir las estrellas más pesadas del universo, como las raras variables luminosas azules de las que hablamos recientemente. El espectro detectado en el resplandor visible corresponde al de una supernova tipo Ic (uno-ce) con bandas anchas, correspondiente a una estrella muy masiva que ha expulsado totalmente su hidrógeno y también su helio externos. Se calcula que un GRB que ocurriese dentro de la Vía Láctea produciría en la Tierra una extinción masiva, peor que la de los dinosaurios. 

Menos mal que el eje de rotación de Eta Carinae no apunta hacia la Tierra. Si no, dracarys.



Las imágenes son de NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration (la imagen mide unos 20 grados de ancho), de la Indian Lighning Detection Network, de NASA/Swift (la imagen mide 23 minutos de ancho), y del International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/B O'Connor, J Rastinejad & W Fong/TA Rector, J Miller, M Zamani & D de Martin (la imagen mide 2.7 minutos de alto, y el norte está hacia la derecha). La escena de House of the Dragon es de HBO/Warner Bros. Television.

El sistema de procesamiento de imágenes de Gemini se llama, coincidentemente, DRAGONS (Data Reduction for Astronomy from Gemini Observatory North and South).

12/11/2022

Aldrin

Hace exactamente 56 años el décimo y último vuelo tripulado de las Géminis volaba alrededor de la Tierra. Gemini 12 estaba comandada por James Lovell, que dos años después, junto con Borman y Anders a bordo del Apollo 8, serían los primeros seres humanos en viajar a la Luna. El piloto fue Edwin "Buzz" Aldrin, famoso piloto del módulo Eagle en el Apollo 11, y segundo hombre en caminar en la Luna. 

Gemini 12 fue una misión muy exitosa, no sólo en los preparativos para viajar a la Luna. Por un lado, se encontraron y acoplaron con la nave automática Agena, junto a la cual hicieron un cambio de órbita. Además, el reingreso a la Tierra fue por primera vez automático, controlado por la computadora de a bordo (aterrizaron a menos de 5 km del lugar previsto). Pero, sobre todo, Aldrin realizó tres largas caminatas espaciales, trabajando en varias tareas entre científicas y de mantenimiento (incluyendo la astrofotografía). Si bien ya se habían realizado salidas de la nave en vuelos anteriores, las de Aldrin sirvieron para mostrar cómo se podía trabajar con eficacia en el espacio usando la voluminosa y temporal protección de los trajes espaciales. Esta es una foto tomada por Lovell:

Hay muy pocas fotos de Aldrin visible en el espacio, o en la Luna. Él es, por supuesto, el astronauta parado en el suelo lunar en la foto histórica que le hizo Armstrong. ¡Pero no se le ve la cara! En otra foto bien conocida lo vemos preparándose antes de salir del módulo lunar (la mostré en la nota sobre la declaración de aduana que hizo al regresar de la Luna). Pero durante una de las caminatas espaciales del Gemini 12 Aldrin tuvo la gran idea de hacerse la que tal vez sea la primera selfie espacial, una foto buenísima en la que le vemos parte de la cara: 

Aldrin vende esta foto, autografiada, y yo la tomé de uno de sus tweets promocionales. Por supuesto, no tiene mayor valor si no está autografiada de puño y letra, así que espero que no se enoje por que aparezca aquí. Si les interesa, vayan y cómprenle una al astronauta jubilado, no son caras. 

Durante el vuelo del Gemini 12 hubo un eclipse total de Sol que vieron y fotografiaron. La franja de totalidad cruzó la Argentina, así que tal vez alguno de mis lectores lo recuerda.


Este año marca el 50o aniversario del final de los vuelos Apollo a la Luna (Apollo 16 en abril, y Apollo 17 en diciembre de 1972). Así que probablemente escriba algo más sobre los Apollo en las próximas semanas. 



Las fotos son de NASA, y la autografiada por Aldrin es de NASA/Edwin Aldrin. En todas ellas se ve ese palo con un cable enroscado, que es una antena UHF del Agena.