Mostrando entradas con la etiqueta gaia. Mostrar todas las entradas
Mostrando entradas con la etiqueta gaia. Mostrar todas las entradas

03/08/2024

El origen de los cúmulos estelares

El cielo nocturno, además de la variedad de estrellas, alberga una cantidad de objetos interesantes que atraen tanto a aficionados como profesionales: los cúmulos de estrellas jóvenes, los cúmulos globulares de estrellas viejas, las nebulosas brillantes donde nacen nuevas estrellas, las lejanas galaxias... Me llamó la atención un trabajo reciente sobre el origen de los cúmulos estelares jóvenes cercanos a nosotros. Más de una vez he comentado que las estrellas nacen generalmente de a muchas, en grandes regiones de formación estelar (como la de Orión o la de Carina). Con el tiempo las estrellas disipan la nube de gas de la que nacieron y emprenden su viaje por la galaxia como grupos de estrellas, más o menos ligadas entre sí por la interacción gravitatoria que ellas mismas producen. 

En su órbita galáctica estos cúmulos van desarmándose, ya sea por interacciones internas, o con otras regiones de la galaxia que les toca atravesar. Unos astrónomos usaron los extraordinariamente precisos datos del telescopio espacial Gaia, de la Agencia Espacial Europea, para rastrear los orígenes de más de 200 cúmulos jóvenes, hoy dispersos en el vecindario del Sol. Una visualización interactiva permite ver cómo están distribuídos en 3D alrededor del Sol. Estas son sus estrellas, puestas en un planisferio de todo el cielo:

Es decir, tomaron las posiciones y las velocidades actuales de las estrellas que las componen, las pusieron en un modelo matemático de la dinámica de la Vía Láctea, y rastrearon hacia el pasado a ver de dónde habían salido. Una clave para un estudio de este tipo es la palabra "jóvenes". En este caso, lo hicieron con cúmulos de no más de 70 millones de años, de manera que no necesitan remontarse hasta un pasado de cientos o miles de millones de años (como en el caso de la dinámica de los cúmulos globulares). Este límite está impuesto por la dinámica compleja de los brazos de la galaxia, que funciona como una batidora, mezclando las trayectorias de manera caótica más allá de cierto horizonte temporal. 

¿Y qué encontraron? Encontraron que las órbitas de casi todos los cúmulos convergen en el pasado, hace unos 30 a 50 millones de años, hacia tres posiciones en la galaxia. Es decir, hace 50 millones de años existieron tres gigantescas regiones de formación estelar, que produjeron docenas de cúmulos cada una. Son las tres familias que aparecen identificadas en la imagen de arriba, que llaman Collinder 135, Messier 6 y Alpha Persei. La siguiente es una vista desde arriba mostrando sus posiciones en distintos momentos a medida que rotan alrededor del centro de la Vía Láctea:

Hay también una versión interactiva de ésta, donde se puede elegir el tiempo con un control deslizante, y ver cómo convergen las posiciones. 

Setenta millones de años no parece mucho tiempo para la vida de las estrellas (el Sol ya lleva casi 5000 millones). Pero en esos cúmulos tan grandes se deben haber formado no sólo estrellas como el Sol, sino también estrellas muy masivas que ya no existen: vivieron sus vidas rápido y explotaron como supernovas en unos pocos millones de años. Los autores calculan que unas 200 supernovas explotaron en estas tres familias. La descomunal energía (y la potencia, al producirse en un intervalo de tiempo relativamente breve), contribuyó a crear la "burbuja local" y otras estructuras que pueden verse hoy en día en los mapas tridimensionales del polvo interestelar a nuestro alrededor.



El paper es: Swiggum et al., Most nearby young star clusters formed in three massive complexes, Nature 631:49-53 (2024). (Está también en arxiv.)

La autora hizo también un lindo video de 3 minutitos resumiendo los resultados:


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.

10/09/2022

El color de la galaxia

¿De qué color es el universo? Me lo preguntó mi amiga Maia Gattás, mientras fabricábamos espectroscopios y espiábamos las coloridas lámparas de descarga de gases elementales. Maia es una artista plástica interesada en todo lo que tiene que ver con los colores, y en particular con los colores astronómicos. Lo primero que se me ocurrió fue que las estrellas emiten la mayor parte de su luz en la región visible del espectro electromagnético, así que en promedio me imaginaba un grisecito. ¿De qué color es el universo? El paisaje desde mi ventana se vuelve monocromático cuando nieva. 

Pero este es un rincón muy chiquito del universo. Las fotos astronómicas son, en cambio, tan coloridas.


Son colores intensos, pero son muy tenues. Por mucho, la principal fuente de luz del universo son las estrellas, estrellas como el Sol. ¿De qué color es el Sol? ¿De qué color son las estrellas? ¿Podemos calcular un promedio, y averiguar de qué color es el cielo estrellado?

Para no sesgar mi averiguación con fotos que puedan estar manipuladas con criterios estéticos, recurrí al mejor catálogo de estrellas que tenemos en la actualidad: el catálogo DR3 de Gaia, recientemente completado. Gaia es un telescopio espacial dedicado exclusivamente a una tarea tediosa como pocas: observar sin parar miles de millones de estrellas, y registrar con exactitud sin precedentes sus posiciones, distancias, brillos y colores. Esta imagen, que comenté hace poco aquí en el blog, representa el cielo estrellado visto por Gaia:

Como ya conté, esta no es una foto: es una representación gráfica del catálogo, con brillos y colores incluídos. Reconocemos, por supuesto, la forma de la Vía Láctea, cruzada por filamentos oscuros donde el polvo frío nos oculta las estrellas que hay detrás. Vemos colores: rosados, anaranjados, blancuzcos, azulados... ¿Cómo promediarlos? Lo más ingenuo era promediar toda la imagen en Photoshop. Me dio esto:

Es un gris apenas azulado (en RGB es 128,133,137). ¿Es el color que me había imaginado? Más o menos. Pero también me di cuenta de que estaba promediando el color del fondo, que arbitrariamente usaron para el mapa. ¿Cómo desembarazarse del fondo, que es de un azul oscuro? De nuevo en Photoshop, hice promedios usando máscaras de brillo. El resultado fue este:

¡Ajá! Esto es otra cosa. Acá vemos claramente el tono cálido de las estrellas de la franja central de la Vía Láctea. El tono general es ahora un beigecito. La galaxia beige. La galaxia caqui. 

No quedé convencido. Si bien usé la imagen de mayor resolución (16000x8000 píxels), no están representadas las estrellas directamente sino algo que no sé qué es, porque no sé cómo la procesaron. Descargar las más de mil millones de estrellas de Gaia estaba fuera de discusión, especialmente con el ancho de banda de Bariloche. Podría usar una muestra representativa, eso sí. Leyendo la documentación me encontré con que los autores del catálogo ya previeron situaciones así: descargar una parte al azar del catálogo. Probé con 10000, como para empezar. Probé con un par de millones: lindo, y eran unos 70MB. Y bueno, al final descargué 2.6 millones de estrellas de Gaia. No todas las mediciones, apenas el brillo y la temperatura. Mi idea era convertir la temperatura en un color RGB, suponiendo la ley de radiación del cuerpo negro (las estrellas son muy aproximadamente cuerpos negros, aunque parezca mentira) y promediar las tres componentes usando los brillos como pesos. Hay muchas más estrellas rojas que azules en la galaxia, pero son muchísimo más tenues. ¿Alcanzaría su número para sesgar la cantidad de fotones hacia el rojo? Para saberlo, tenía que hacer un promedio pesado con el brillo. Lo hice en Mathematica (que tiene predefinida una función que convierte temperatura en color de cuerpo negro). El resultado es éste: 

Ahí tenés. El color de la Vía Láctea. La galaxia té con leche. En RGB es (244,230,219). Si querés una gama sin sesgar el tono quedan unos lindos chocolates:

Por supuesto, también googlié "color of the universe", a ver si alguien más ya lo había hecho. Y resultó que unos tipos de la Universidad Johns Hopkins lo habían hecho hace 20 años, pero usando los colores de 200 mil galaxias de la Australian 2dF Galaxy Redshift Survey. ¡El resultado también fue un beige! Bastante parecido al mío basado en Gaia, un poco menos rojo y tirando al champagne. Aquí puse los dos, ajustando el brillo para que sean comparables (el de Gaia es el de la izquierda):

No sé si es casualidad, pero en mi vestuario hay un montón de ropa de estos colores...



Los datos de Gaia son gratis y abiertos al público:

This work has made use of data from the European Space Agency (ESA) mission Gaia (https://www.cosmos.esa.int/gaia), processed by the Gaia Data Processing and Analysis Consortium (DPAC, https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/dpac/consortium). Funding for the DPAC has been provided by national institutions, in particular the institutions participating in the Gaia Multilateral Agreement.

Una alternativa a usar la temperatura efectiva del catálogo (que no está medida, sino calculada) es usar las magnitudes por banda de color (pero habría que leerse la documentación correspondiente, para convertirlas a RGB), o el pseudocolour (también, andá a saber cómo convertirlo a RGB). No creo que haya mayores diferencias en el resultado.

28/05/2022

Esto no es una foto

Soy fan de Gaia, el telescopio europeo dedicado a medir la distancia y el movimiento de miles de millones de estrellas. Durante la cuarentena Gaia publicó una versión preliminar de su tercer catálogo, y es un tesoro, una mina de datos a disposición de quien quiera usarlos para desentrañar la forma, la dinámica y la historia de nuestra galaxia. Desde un punto de vista visual me impresionó la siguiente figura:

Si fuera una pintura de Magritte, se podría titular "Esto no es una foto". Porque no lo es: es una representación del flujo luminoso medido por Gaia. Si van a buscar la versión en resolución completa y hacen zoom al máximo, no verán estrellas individuales sino una grilla de puntos de color. Gaia no saca fotos, es un telescopio rarísimo, capaz que otro día cuento más.

En esta imagen es impresionante la red de nubes de polvo que nos rodea. Es una característica de las galaxias espirales, que tienen mucho polvo en el disco, y nuestro sistema solar se encuentra casi en el disco de la Vía Láctea. El centro de la imagen apunta directamente al centro de la galaxia, y podemos ver que está oculto por este polvo oscuro y frío. También podemos ver que hay una región muy brillante por debajo del centro, y que el polvo es más abundante por encima. Es como si el Sol, en lugar de estar exactamente en el disco, estuviera un poco por debajo, y pudiéramos ver un poquito más de las densas nubes estelares del centro galáctico. Al mismo tiempo, si estuviéramos debajo del disco, las nubes de polvo cercanas aparecerían por arriba del ecuador galáctico. ¿Será así? Creo que no, porque si uno busca la posición del Sol en la Vía Láctea, en todos lados dice que estamos algunas decenas de años luz por encima del medio del disco. Muy poquito, comparado con el espesor del "disco fino", que es de algunos cientos de años luz de "alto". Me parece que hay mucha incerteza en esto, de todos modos, porque un paper que encontré dice que estamos a 15∓17 parsecs por encima. ¿Qué significa 15 más/menos 17, por favor? Yo ni me hubiera animado a publicar eso. 

Para complicar el panorama está lo siguiente. Si el sesgo en la cantidad de nubes oscuras fuese un buen indicador de nuestra posición "vertical", deberíamos ver el mismo sesgo en todas direcciones. En particular, en la dirección opuesta al centro (el "anticentro", se llama) también deberíamos verlas más abundantes en el hemisferio galáctico norte. Pero no: es al revés. Usando la imagen de Gaia hice la siguiente comparación, mostrando las regiones alrededor del centro y del anticentro:

¡En el anticentro, las nubes oscuras están corridas hacia el sur galáctico! ¿Qué estará pasando aquí? La verdad que no lo sé. Tal vez sea un efecto local, y alrededor nuestro las nubes de polvo forman una especie de disquito un poco inclinado, y que no está justo en el centro del disco (del "disco fino") de la Vía Láctea. Algo así:

Tal vez este efecto esté relacionado con las estructuras de estrellas brillantes llamadas cinturón de Gould (¡que tiene el mismo sesgo, pasa por el norte del centro y por el sur del anticentro!), u onda de Radcliffe. No lo sé. Busqué y rebusqué y no encontré publicaciones al respecto. Si alguien sabe algo, o si tienen alguna hipótesis disparatada, déjenla en los comentarios.

11/09/2021

Los brazos de la Vía Láctea

Hace años, con mi amigo Facundo Vital, fuimos al Anfiteatro del río Limay a fotografiar la Vía Láctea:

Facundo me preguntó: "¿Cuántos brazos tiene la Vía Láctea?" Le contesté: cuatro, o más, o dos, no se sabe. ¿Cómo que no se sabe? ¿Qué están haciendo los astrónomos, que no saben la forma de nuestra propia galaxia?

Es que es muy difícil. Vivimos dentro de la Vía Láctea, y si bien es relativamente fácil darse cuenta de que es una enorme colección de estrellas de forma achatada (la vemos formando una banda en el cielo, como se ve en mi foto), no podemos verla desde afuera para saber exactamente cómo están distribuidas. Para lograrlo, lo mejor sería medir la distancia a muchísimas estrellas y otras estructuras brillantes, tales como cúmulos, púlsars, regiones de formación estelar, etc, para poder hacer un mapa. Así se fueron descubriendo estructuras que corresponden a los brazos que vemos en otras galaxias achatadas, y fueron conformando un mapa aproximado. La siguiente es una versión artística razonablemente moderna:

Esta representación es de alrededor del 2015, y es más o menos aceptada. Muestra dos brazos prominentes, el de Scutum-Centauro, que desde nuestra perspectiva vemos desaparecer detrás del centro galáctico, y el de Perseo, que sale de la otra punta de la barra central y nos pasa "por detrás". Pero también se ve que hay otros dos brazos entre estos: el Exterior (por fuera del de Perseo, y que sería la continuación del de Norma) y el de Sagitario-Carina (no tiene nombre en la imagen, pero está ahí, justo fuera del de Sct-Cen). Hay astrónomos que le dan a los cuatro la misma relevancia, no como en la ilustración. Y ojo que los astrónomos no están de acuerdo ni siquiera en los nombres de estas estructuras (salvo el brazo de Perseo, que parece universalmente aceptado).

También hay bracitos chiquitos: el brazo Local, o Espolón de Orión, donde está nuestro sistema solar, es el mejor conocido, pero debe haber más, y probablemente muchos, distribuidos entre los otros. He aquí un mapa de los de nuestra región:

Con la publicación del tercer catálogo del telescopio Gaia los mapas empiezan a ser cada vez más precisos. Este año se publicaron dos trabajos que muestran la densidad de la galaxia basada en un enorme conjunto de cientos de miles de estrellas jóvenes y brillantes con posiciones bien medidas. Este es uno de los mapas:

Las estrellas individuales no están aquí, sino que sus posiciones están usadas para contruir una escala de densidad. Las regiones de mayor densidad son las rojas, y se ve que están organizadas en bandas, que son los brazos cruzando la región observada (unos 15000 años luz alrededor del Sol). Las crucecitas son las posiciones de másers, una clase de objetos fáciles de medir que se han usado en mapas anteriores. Los brazos tradicionalmente reconocidos serían las líneas negras, de izquierda a derecha: Exterior, Perseo, Local (u Orión), Sagitario-Carina y Scutum-Centauro. Se ve que no coinciden muy bien con las bandas rojas de mayor densidad. Por ejemplo, la línea a rayas indica que, según este nuevo estudio, el brazo de Perseo parece tener una dirección distinta de la aceptada anteriormente. También se ve que el brazo Local, que en general se considera muy cortito, es posiblemente el doble de largo que lo aceptado. 

Como se ve, no es fácil zanjar estas cuestiones estando dentro de la estructura espiral, que además está lejos de ser nítida y prolija. Gaia sigue midiendo, y habrá un cuarto catálogo, y tal vez más, y los mapas seguirán mejorando. De hecho, hoy en día, el principal obstáculo para entender la estructura de la galaxia es la inmensa cantidad de información que estamos acumulando. Necesitamos una verdadera Hitchhiker's Guide to the Galaxy. Mientras tanto, de lo que sí estamos seguros es que, desde adento, la visión es majestuosa.



Los papers nuevos son dos del mismo grupo:

Poggio et al., Galactic spiral structure revealed by Gaia EDR3, A&A 651:A104 (2021).

Zari et al., Mapping luminous hot stars in the galaxy, arXiv:2102.08684v1.

El mapa de los másers, también muy reciente y muy respetado, está descripto en:

Reid et al., Trigonometric parallaxes of high-mass star-forming regions: Our view of the Milky Way, The Astrophysical Journal 885:131 (2019).

La ilustración de la Vía Láctea es de Robert Hurt (hecha para un mapa basado en fuentes infrarrojas del telescopio espacial Spitzer). 

Las fotos son mías. La figura de los spurs es del excelente sitio Galaxy Map, de Kevin Jardine.