Las Edades de las Estrellas y la Astronomía Ultravioleta desde el Espacio

Miguel Chávez

Fecha: 2016-04-01


En una época en el que se han descubierto casi 2100 planetas fuera de nuestro sistema solar y un número similar de análogos al cinturón de planetesimales que orbitan a nuestro Sol a distancias mas allá de la órbita de Neptuno (4500 millones de kilómetros o 30 Unidades Astronómicas, es decir 30 veces la distancia Tierra-Sol), el llamado cinturón de Kuiper o cinturón de Edgeworth-Kuiper, estamos ahora en una posición inmejorable para ubicar a nuestro sistema solar en un contexto evolutivo con respecto a otros sistemas planetarios hospedados por estrellas similares al Sol. El parámetro fundamental para comprender el estado evolutivo de los objetos celestes en general y en particular de sistemas exo-planetarios, es su edad. Si bien es una cantidad crucial, determinarla con precisión implica un enorme reto, en particular en aquellas estrellas como nuestro Sol cuya generación de energía proviene de reacciones nucleares de fusión de Hidrogeno en su centro. Esta etapa es la más longeva en la evolución de las estrellas. Las estrellas sufren cambios apenas perceptibles con el tiempo, por ejemplo el Sol cambiara tan solo un 20% su luminosidad y temperatura como efecto de la edad, y estos cambios tendrán lugar a lo largo de los casi 9000 millones de años que durara la etapa de combustión de hidrogeno en el núcleo estelar. Estrellas de menor masa como las denotadas estrellas de tipo espectral M, habrían apenas modificado sus propiedades aun en escalas de tiempo comparables con la edad del Universo de 13700 millones de años. 



La determinación de la edad de nuestro sistema solar se ha logrado a través de estudios de material terrestre con métodos de datación basados en técnicas radiométricas, es decir, a través del estudio del decaimiento de elementos químicos en alguno de sus isotopos estables (el mismo elemento químico, pero con diferente composición en el núcleo atómico). Evidentemente los métodos aplicados en la Tierra no pueden aplicarse a otros sistemas planetarios debido a su inaccesibilidad. En las últimas décadas se han ideado numeroso métodos para determinar edades estelares y el más preciso corresponde al llamado métodos de ajuste de isócronas que se basa en la teoría de evolución estelar. Desafortunadamente este método es solo aplicable a agregados estelares como los denominados cúmulos globulares y cúmulos abiertos, en los que podemos identificar estrellas (las de mayor masa) que han evolucionado más rápido que otras y que se encuentran en etapas donde la generación de energía se verifica por combustión de hidrógeno en capas exteriores al núcleo o bien se encuentran ya en la fase de combustión de Helio. Estas propiedades las hace fácilmente distinguibles de las estrellas tipo solar, hecho que permite determinar la edad de los agregados y por tanto de sus componentes. Para el tipo de estrellas que nos interesa se ha concebido un método alternativo llamado Girocronología. 
 
De manera breve, la base física de este método considera que las estrellas a lo largo de su vida disminuyen su velocidad de rotación debido a la constante pérdida de masa a través de los vientos estelares. De hecho se estima que nuestro Sol perderá aproximadamente un 0.01% de masa durante su etapa evolutiva actual. Aunque es una cantidad extremadamente pequeña en términos relativos, los efectos que tiene esta pérdida de masa en el campo magnético solar pueden ser medibles. Los movimientos de materia en el interior del Sol, debido a su rotación y a otros mecanismos físicos como la convección y el efecto dínamo, producen actividad magnética que en consecuencia también cambiará con el tiempo. Por casi cinco décadas la actividad magnética estelar ha sido principalmente inferida a través del análisis de transiciones atómicas del elemento Calcio una vez ionizado (CaII) presente en la capas atmosféricas mas exteriores de las estrellas (Cromosfera y Corona). Estas transiciones son fácilmente observables con técnicas espectroscópicas estándares desde tierra. Aun cuando el CaII se ha identificado como el método premier para la derivación de edades estelares en estrellas maduras, su aplicación está sujeta a grandes incertidumbres cuando se trata de estrellas con temperaturas mayores a 6500 grados Kelvin (aproximadamente 750 grados más que el Sol) o en estrellas cuya edad hace ya poco perceptible el CaII como el caso solar. La vasta mayoría de estrellas con exoplanetas confirmados y con cinturones de material similares al de Kuiper caen en estas categorías estelares. En fechas recientes hemos iniciado la exploración de otros indicadores de actividad magnética, en particular una prominente transición de elemento Magnesio ionizado (MgII) que se forma en las cromósferas estelares. La transición tiene lugar en 2800 angstrom y debido a que las moléculas de Ozono presentes en la atmósfera terrestre absorben prácticamente toda la radiación en estas longitudes de onda, MgII solo se puede observar desde el espacio.    

La detección y análisis del Magnesio de origen cromosférico tiene su origen con la exploración espacial misma. Desde luego el primer objeto celeste al que se le detecto esta línea fue el Sol, gracias a un experimento que involucraba el uso de los recientemente confiscados cohetes alemanes V-2. Tan solo un año después de la finalización de la 2ª guerra mundial, en 1946, un grupo de astrónomos asociados al Laboratorio de Investigación de la Naval de Estados Unidos utilizó unos de estos cohetes y un espectrógrafo, que en ese entonces consideraba un novedoso diseño opto-mecánico, montado en la cola del cohete, para estudiar el Magnesio en la atmosfera superior del Sol. Este hito marco el inicio de la astronomía desde el espacio, en particular de la astronomía ultravioleta. 
 
El largo historial de la astronomía UV desde el espacio involucra numerosas misiones que resulta imposible siquiera pretender enumerar los logros de cada una de ellas, aun en un tema específico como el estudio de MgII. Consideramos oportuno entonces solo citar brevemente algunas de las principales misiones y hacer hincapié en un satélite completamente dedicado a estudios ultravioleta, el altamente exitoso International Ultraviolet Explorer (IUE), misión conducida ininterrumpidamente durante el periodo 1978-1996 como colaboración entre la Agencia Espacia Estadounidense (NASA), la Agencia Espacial Europea (ESA) y el Consejo de Investigación Científica del Reino Unido. Entre los principales antecesores de IUE podemos citar: La estación espacial Skylab (de la NASA), la serie de observatorios llamados Orbiting Astronomical Observatory (OAO-NASA), uno de los cuales fue el satélite Copernicus, El Astronomical Nederlands Satellite (ANS, de los países bajos), y Las sondas Viajero 1 y 2 (NASA) que están aun en operación en su tercera fase científica; la Misión Interestelar. Debemos también destacar que el Telescopio Espacial Hubble (HST-NASA) ha contado con instrumentación ultravioleta y en el que actualmente opera el instrumento Cosmic Origins Spectrograph (COS). También es oportuno señalar que la misión UV mas reciente es el Galaxy Evolution Explorer (GALEX-NASA, Reino Unido) que ha proveído mapas UV en dos bandas de casi la totalidad de cielo y espectroscopia de baja dispersion de decenas de miles de objetos. 
 
IUE operó con un espejo de 45cm de diámetro y 4 cámaras que permitieron colectar valiosa información espectroscópica en dos de los tres segmentos en que se divide el intervalo ultravioleta; el lejano ultravioleta y el cercano ultravioleta, este último incluye la línea MgII. A los largo de su vida operativa IUE colectó un conjunto de más de cien mil espectros de virtualmente todos los tipos de objetos celestes, desde imágenes espectroscópicas de la Luna hasta galaxias distantes. En el contexto del análisis de la línea MgII, IUE provee la más completa la base de datos espectral. Observó numerosas estrellas tipo solar en alta resolución en la banda espectral necesaria, de las cuales aproximadamente 300 cuentan con espectros de buena calidad. Desde hace tres años nuestro grupo en el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica Electrónica en Puebla ha llevado a cabo un exhaustivo estudio de estrellas en un amplio intervalo de temperatura para estudiar la correlación de la intensidad de la línea de MgII en términos de la velocidad de rotación (por lo tanto de su edad) de las estrellas tipo solar. En resumen, se ha encontrado una estrecha tendencia que supera significativamente la sensibilidad de su contraparte en el visible. Además, se están concluyendo investigaciones que indican que aun en las estrellas más viejas y de temperaturas superficiales de hasta 10000K este indicador de actividad magnética podría resultar muy prometedor. Desafortunadamente, el numero de objetos estelares con periodos de rotación medidos a través de la modulación de su brillo u otras propiedades espectrales en el óptico es aún muy reducido y se requiere de datos frescos que complementen los estudios de IUE.        

Es por esta razón, y desde luego por muchas otras asociadas a la gran variedad de investigaciones de frontera en la astrofísica contemporánea, que la comunidad astronómica internacional necesita de una nueva misión dedicada al ultravioleta. En la actualidad solo existe una misión espacial en proceso de construcción que continuará con el legado que han dejado las misiones anteriores, desde los cohetes V2. El Observatorio Espacial Mundial (WSO, por sus siglas en Ingles) es una iniciativa conformada originalmente por un consorcio de varios países. A la fecha, La Agencia Espacial Rusa (ROSCOSMOS), el Instituto de Astronomía de la Academia de Ciencias de Rusia (INASAN) y La Universidad Complutense de Madrid, España son las instituciones líderes del proyecto. Este telescopio será muy similar a IUE pero con una capacidad colectora casi 20 veces mayor y con una instrumentación de frontera extremadamente sensible. Al igual que sus predecesores abordará prácticamente todos los tópicos de la astrofísica contemporánea, incorporando también estudios de las atmósferas de las estrellas madre de los exo-mundos descubiertos hasta la fecha de su lanzamiento. Investigadores de México, con el apoyo de la Agencia Espacial Mexicana (AEM) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) buscan formalizar una participación en la construcción de algunos componentes electrónicos de este satélite y en consecuencia en la ciencia de punta que este instrumento generará. 
 
 
 
 
 
 
Miguel Chavez (INAOE, mchavez@inaoep.mx) , Emanuele Bertone (INAOE), Manuel Olmedo (INAOE), Nestor Daniel Olmedo (INAOE), Carlos Montez (INAOE), Ana Ines Gomez de Castro (UCM),  Mikhail Sachkov (IA- Russian Academy of Sciences), Benito Orozco (AEM) 
 



Etiquetas: INAOE,Astrofísica,Estrellas

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnología espacial de la Agencia Espacial Mexicana.




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