La colaboración internacional SDSS-III, en la que participa el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), publica las observaciones de 60.000 estrellas de nuestra galaxia. La tecnología desarrollada en el proyecto ha permitido llegar a las partes de la Vía Láctea ocultas por el polvo interestelar.

El grupo de astrónomos que integra la colaboración internacional Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III), en la que participa el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), acaba de publicar las características desconocidas hasta ahora de 60.000 estrellas de nuestra galaxia. Esta nueva serie de datos de acceso abierto, y libre descarga en internet, permitirán explorar la parte 'oculta' de la Vía Láctea y ayudarán a entender cómo se formó.

Se trata de los primeros datos publicados por el proyecto Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE) que, como parte de SDSS-III, supone un esfuerzo investigador colectivo para crear un mapa completo de la composición química de las estrellas a lo largo y ancho de la Vía Láctea. Con este objetivo, en el proyecto se ha desarrollado uno de los más eficientes espectrógrafos para luz infrarroja del mundo.

La solución que ha aportado el espectrógrafo de alta resolución de APOGEE es observar este área en el infrarrojo, una luz invisible al ojo humano pero capaz de penetrar el velo de polvo que oscurece el centro de nuestra galaxia. Esta habilidad para explorar zonas previamente ocultas permite a APOGEE ambicionar el objetivo de trazar un mapa completo de la composición química de todas las regiones de la Vía Láctea. La espectroscopía realiza mediciones sobre la cantidad de luz emitida por una estrella en cada longitud de onda, o lo que es lo mismo, en cada color.

Lejos de las luces de la ciudad, la Vía Láctea aparece como una banda luminosa que cruza el cielo cubierta por 'cortinas' oscuras. Esta banda es el disco y el bulbo o núcleo galáctico y las cortinas son el polvo que impide a los astrónomos ver todas las partes de la Galaxia. Cuanto más cerca se encuentra una estrella del centro, una mayor parte de su luz es apagada por el polvo. Por este motivo, los estudios previos sobre las estrellas de la Vía Láctea han estado limitados por la capacidad de medir de forma consistente las estrellas de esta zona polvorienta.

“Esta es la más completa colección de espectros de estrellas en el infrarrojo nunca realizada”, explica el director del proyecto APOGEE, Steve Majewski, de la Universidad de Virginia. “El total de sesenta mil estrellas analizadas suponen casi diez veces más que el número de espectros de alta resolución en el infrarrojo obtenidos hasta ahora por todos los telescopios del mundo. Seleccionadas de todas las diferentes partes de la Galaxia, desde la periferia casi vacía hasta el centro envuelto en polvo, estos espectros nos permitirán descorrer la cortina que cubre la parte oculta de la Vía Láctea”, añade Majewski.

El espectro de una estrella es una de las mejores herramientas para aprender sobre ella: nos habla de detalles clave, como la temperatura, el tamaño de la estrella y los elementos que se encuentran en su atmósfera. Es como si consiguiéramos las huellas dactilares de alguien en lugar de solo conocer su altura y su peso.

Para llegar a la meta fijada en el proyecto de analizar 100.000 estrellas en solo tres años, el instrumento APOGEE observa 300 estrellas distintas de forma simultánea, lo que agiliza en cientos de veces la velocidad de recolección de datos si se compara con los instrumentos habituales, que analizan las estrellas de una en una. ·

Esta ingente cantidad de datos no puede ser analizada con métodos convencionales. “Los métodos clásicos de análisis de espectros se basan en gran medida en el trabajo manual e interactivo de una persona”, cuenta Carlos Allende Prieto, científico líder de SDSS-III en el IAC y responsable del software de análisis de los espectros de APOGEE. “No podíamos contar con cien investigadores durante tres años para hacer el trabajo en este caso, así que tuvimos que escribir programas para ordenador que se comportaran como humanos, e incluso nos superaran en esta particular tarea”, explica el investigador del IAC.

¿Cómo nació la Vía Láctea?

Las preguntas sobre cómo se formó nuestra galaxia han sido objeto de especulación científica y debate durante cientos de años. El mapa de todas las estrellas de la Galaxia que pretende obtener el experimento APOGEE proporcionará información crucial para resolver cuestiones centrales sobre cómo se produjo este proceso a lo largo de miles de millones de años de historia.

La Vía Láctea tiene en la actualidad tres partes principales: un bulbo con alta densidad de estrellas en el centro, el disco plano en el que nosotros vivimos, y el halo, una estructura esferoidal que, con una densidad estelar muy baja, envuelve la galaxia y se extiende a lo largo de cientos de miles de años luz. Las estrellas en estas tres partes tienen distintas edades y composiciones, lo que significa que se formaron en momentos diferentes y bajo condiciones diversas a lo largo de la historia de nuestra galaxia. Los resultados obtenidos ayudarán a desbloquear esta historia: la clave es conocer las composiciones y los movimientos de las estrellas en cada región.

Estrellas ‘viejas’ y energía oscura

Los datos que se publican ahora también proporcionan una sólida base para investigar un amplio rango de cuestiones sobre las mismas estrellas. Por ejemplo, el investigador del IAC Szabolcs Mészáros, además de realizar las calibraciones de las medidas de APOGEE, está estudiando las estrellas evolucionadas en decenas de cúmulos, grupos de estrellas que comparten localización y edad. ”Los datos de APOGEE nos permiten ver los cambios que se producen en la química de las estrellas en las fases finales de su vida”, afirma Mészáros.

El paquete de datos hecho público, y etiquetado como Data Release 10, también incluye otros 670.000 espectros de otro proyecto de SDSS-III conocido como Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). Estos otros espectros proceden de galaxias y cuásares formados cuando nuestro universo era mucho más joven, justo cuando la misteriosa energía oscura estaba comenzando a influir sobre la expansión del mismo. Los nuevos espectros que obtenga BOSS y los espectros adicionales que continuará obteniendo SDSS-III hasta su fin a mediados de 2014, ayudarán a la comunidad científica en la misión de entender qué puede ser la energía oscura.

SDSS-III es un proyecto de seis años (2008-2014) sobre estrellas cercanas, la Vía Láctea y el cosmos distante. El telescopio de 2,5 metros ubicado en el Observatorio Apache Point, en Nuevo México, lleva a cabo cada noche las observaciones que alimentan tanto el espectrógrafo óptico de BOSS como el infrarrojo de APOGEE.

El acceso público a toda la información obtenida es un aspecto fundamental de este proyecto. La nueva serie de datos está disponible para la comunidad científica y el público interesado para su libre descarga en: http://www.sdss3.org/dr10.

Detectar planetas de otros sistemas solares representa un desafío importante, ya que son pequeños y de escaso resplandor en comparación con sus estrellas, y además están casi pegados a ellas desde la perspectiva visual de la Tierra.

Las dos técnicas más prolíficas para buscar exoplanetas son la de la velocidad radial (intentar detectar el sutil bamboleo de la estrella provocado por el tirón gravitatorio de un planeta en órbita) y la de los tránsitos (intentar detectar planetas cuando, desde la dirección de observación del telescopio, cruzan por delante de sus respectivas estrellas, lo cual crea un minieclipse y atenúa el brillo de la estrella en un grado minúsculo pero delatador).

Un equipo de científicos de la Universidad de Tel Aviv en Israel, y del Centro para la Astrofísica (CfA) en Cambridge, Massachusetts, gestionado conjuntamente por la Universidad de Harvard y el Instituto Smithsoniano, estas tres instituciones en Estados Unidos, ha descubierto recientemente un exoplaneta gracias a usar un nuevo método que se basa en parte en la teoría de la relatividad de Einstein.

La técnica fue propuesta por vez primera por Avi Loeb del CfA, y su colega Scott Gaudi (ahora en la Universidad Estatal de Ohio) en 2003. (Casualmente, ellos desarrollaron su teoría sobre la técnica mientras visitaban el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, donde trabajó Einstein.)

El nuevo método, puesto en práctica por el equipo de David Latham del CfA, y Simchon Faigler y Tsevi Mazeh de la Universidad de Tel Aviv, se basa en captar tres pequeños efectos que se producen al mismo tiempo a medida que un planeta gira en torno a su estrella. Explicados de forma sencilla, son un abrillantamiento y un oscurecimiento sutiles, el estiramiento también sutil de la estrella por acción de la gravedad del planeta, y un efecto derivado de la luz estelar reflejada por el planeta.

"Ésta es la primera vez que se ha usado esta faceta de la teoría de la relatividad de Einstein para descubrir un planeta", recalca Mazeh.

Una vez identificado el nuevo planeta, fue confirmado por Latham usando observaciones de velocidad radial efectuadas en el Observatorio Whipple de Arizona, y por Lev Tal-Or (Universidad de Tel Aviv) en el Observatorio de Haute-Provenza en Francia. Un análisis detallado de datos reunidos por el Telescopio Espacial Kepler también mostró que el planeta realiza tránsitos por delante de su estrella, lo cual proporcionó una confirmación adicional.

El "Planeta de Einstein", formalmente conocido como Kepler-76b, es un "Júpiter caliente" que da una vuelta entera en torno a su estrella en tan sólo un día y medio. Su diámetro es alrededor de un 25 por ciento más grande que el de Júpiter y su masa es de aproximadamente el doble que la de Júpiter. La estrella en torno a la que orbita es algo más masiva y caliente que el Sol, y está a unos 2.000 años-luz de distancia de la Tierra, en la constelación del Cisne.

El planeta siempre muestra una misma cara a su estrella, como hace la Luna con la Tierra. Como resultado, Kepler-76b alcanza una temperatura de unos 2.000 grados centígrados (unos 3.600 grados Fahrenheit) en ese hemisferio donde siempre es de día.

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Cuando una estrella de masa muy grande agota su combustible nuclear, es incapaz de mantenerse hinchada y se derrumba sobre sí misma por efecto de su gravedad, en un proceso que acaba convirtiendo su núcleo en un agujero negro, un objeto con una gravedad tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de él una vez cae dentro.

Aunque algunas estrellas moribundas que acaban produciendo un agujero negro emiten en el proceso un potente estallido de rayos gamma, puede que éste no sea el caso más común, sino tan solo el único detectable con facilidad por nuestra tecnología. Quizá en la mayoría de casos, según una hipótesis, una estrella de masa muy grande que muere genera un agujero negro sin ningún estallido o destello: La estrella simplemente desaparece del firmamento y ya está, un evento cósmico que en cierto modo sería lo contrario de una nova.

¿Sería pues del todo indetectable un nacimiento de agujero negro por este mecanismo? ¿No sucedería nada detectable en forma de emisión de luz o de otra radiación del espectro electromagnético?

Según los resultados de un nuevo análisis efectuado por el astrofísico Tony Piro, del Instituto Tecnológico de California (Caltech), justo antes de que el agujero negro se forme, la estrella agonizante sí podría generar una señal, sutil pero reconocible si los observadores saben qué deben buscar. Esa señal delataría que acaba de nacer un agujero negro.

Según la teoría más aceptada, cuando una estrella masiva agota su combustible nuclear, su núcleo se contrae bajo su propio peso. A medida que se contrae, más prensada está la materia, hasta que llega un punto en el que los protones y los electrones del núcleo de la estrella se fusionan y producen neutrones. Si la masa de la estrella no es muy grande, puede permanecer estable en este estado, y en tal caso ha nacido lo que se conoce como estrella de neutrones o púlsar. Se trata de un objeto muy denso, tanto como lo sería el Sol si se le comprimiera para hacerle caber en una esfera de unos 10 kilómetros (6 millas) de radio.

Pero si la masa estelar es demasiado grande, el núcleo de la estrella muerta sigue comprimiéndose.

Durante unos segundos, antes de que la creciente compresión lo convierta en un agujero negro, el núcleo de la estrella muerta es una estrella de neutrones.

Este proceso de compresión colosal también crea neutrinos, que son partículas que casi siempre atraviesan la materia sin interactuar con ella y a una velocidad próxima a la de la luz. A medida que los neutrinos fluyen del núcleo estelar, transportan una gran cantidad de energía, que representa una décima parte de la masa de la estrella (ya que la energía y la masa son equivalentes, por E = mc2).

Según lo expuesto en un poco conocido artículo académico escrito en 1980 por Dmitry Nadezhin del Instituto Alikhanov de Física Teórica y Experimental en Rusia, esta rápida pérdida de masa implica que la fuerza gravitacional del núcleo de la estrella moribunda se reduzca de manera brusca. Cuando eso sucede, las capas gaseosas externas de la estrella, compuestas principalmente por hidrógeno, salen disparadas hacia el exterior, generando una onda de choque que suele atravesar las capas más exteriores a unos 1.000 kilómetros por segundo (unos 3 millones y medio de kilómetros por hora, o más de 2 millones de millas por hora).

Usando simulaciones por ordenador, dos astrónomos de la Universidad de California en Santa Cruz, Elizabeth Lovegrove y Stan Woosley, encontraron recientemente que cuando la onda de choque golpea la superficie exterior de las capas gaseosas, debe calentar el gas de la superficie, produciendo un brillo que duraría cerca de un año, una señal prometedora como indicativo fiable del nacimiento de un agujero negro. Aunque casi un millón de veces más brillante que el Sol, este resplandor sería relativamente débil en comparación con otras estrellas. Sería difícil de ver, incluso en galaxias que están relativamente cerca de nosotros.

Pero ahora Piro ha encontrado una señal más prometedora. En su nuevo estudio, analiza con más detalle lo que puede ocurrir en el momento en el que la onda expansiva golpea la superficie de la estrella, y ha calculado que el impacto en sí mismo produciría un destello de 10 a 100 veces más brillante que la luz predicha por Lovegrove y Woosley. Ese fogonazo sería muy brillante, y es la señal que ofrece la mejor oportunidad de ser detectada. Por tanto, según Piro, ésta es la señal que hay que buscar en el firmamento.

Tal destello sería tenue en comparación con las estrellas en explosión llamadas supernovas, pero sería lo bastante luminoso como para ser detectado en las galaxias cercanas. El destello, que duraría entre 3 y 10 días, antes de desvanecerse, sería muy luminoso en longitudes de onda ópticas, y su brillo máximo estaría en la banda ultravioleta.

Piro estima que los astrónomos serían capaces de ver, en promedio, uno de estos eventos cada año.

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El observatorio espacial Herschel de la ESA ha observado un inusual encuentro entre dos galaxias ricas en gas que presenta la solución al antiguo problema de cómo se formaron las grandes galaxias pasivas en el Universo primigenio.

La mayor parte de las grandes galaxias pertenece a una de estas dos categorías: las galaxias espirales, como nuestra Vía Láctea, con una gran cantidad de gas y actividad de formación de estrellas; o las galaxias elípticas, pobres en gas, pobladas de viejas estrellas rojas y frías y con pocos signos de actividad. 

Durante mucho tiempo se asumió que las grandes galaxias elípticas que vemos en el Universo actual se formaron lentamente a través de la fusión gravitatoria de galaxias más pequeñas. Esta hipótesis sugería que el gas contenido en estas galaxias se transformaría progresivamente en estrellas frías de baja masa, hasta agotar todas sus reservas, dejando una galaxia ‘roja y muerta’.

Cuando en la última década se descubrió que las grandes galaxias elípticas se habían logrado formar en los primeros 3-4 mil millones de años de historia del Universo, esta hipótesis se tambaleó. De alguna forma, en un plazo de tiempo muy corto en términos cosmológicos, estas galaxias habían sido capaces de reunir rápidamente una gran cantidad de estrellas y luego se habían ‘apagado’.

Una posible explicación sería que dos galaxias espirales chocasen y se fusionasen, dando lugar a una gran galaxia elíptica. La colisión desencadenaría un brote masivo de formación estelar que agotaría rápidamente todas las reservas de gas. Gracias a las observaciones de Herschel, un equipo de astrónomos ha sido capaz de capturar el inicio de este proceso entre dos galaxias masivas cuando el Universo apenas tenía 3.000 millones de años.

Esta pareja de galaxias fue identificada inicialmente en los datos de Herschel como una única fuente, bautizada como HXMM01. Un estudio más detallado desveló que en realidad se trataba de dos galaxias, cada una con una masa estelar equivalente a 100.000 veces nuestro Sol y con una cantidad equivalente de gas.

Las galaxias están unidas por un puente de gas, lo que indica que se están fusionando.

“Este monstruoso sistema de galaxias en interacción es la fábrica de estrellas más eficiente jamás detectada en el Universo primitivo, cuando éste apenas tenía 3.000 millones de años”, explica Hai Fui de la Universidad de California, Irvine, Estados Unidos, autor del estudio publicado enNature.

“El sistema HXMM01 es muy especial, no sólo por su gran masa e intensa actividad de formación de estrellas, sino porque también se encuentra en una fase intermedia y fundamental del proceso de fusión, lo que nos ayudará a perfeccionar los modelos actuales que describen la formación y la evolución de las galaxias”, añade Asantha Cooray, coautor de la publicación y también profesor en la Universidad de California, Irvine.

El comienzo de la fusión ha desencadenado una frenética actividad de formación de estrellas, alcanzando una tasa equivalente a unas 2.000 estrellas como nuestro Sol al año. En comparación, una galaxia como la Vía Láctea actual sólo forma el equivalente a un Sol cada año.

La eficiencia con la que el gas se está convirtiendo en nuevas estrellas en este sistema es unas diez veces mayor a la observada en las galaxias convencionales, que forman estrellas a una tasa mucho más lenta.

El sistema no será capaz de sostener semejante tasa de formación de estrellas durante mucho tiempo, y terminará agotando todas sus reservas de gas, deteniendo la producción y convirtiéndose en una población envejecida de estrellas rojas, frías y de baja masa.

El equipo de Fu calcula que HXMM01 tardará unos 200 millones de años en convertir todo su gas en estrellas, mientras que el proceso de fusión tardará unos mil millones de años en completarse. El resultado final será una galaxia elíptica masiva, roja y muerta, con unos 400.000 millones de masas solares.

“Tuvimos mucha suerte al detectar este sistema tan especial en una fase de transición tan crítica. El descubrimiento deja constancia de que la fusión de galaxias ricas en gas y con una considerable actividad de formación de estrellas es uno de los mecanismos para la formación de las galaxias elípticas masivas que podemos observar en el Universo primitivo”, explica Seb Oliver de la Universidad de Sussex, Reino Unido, Investigador Principal del Programa Clave HerMES dentro del que se han realizado estas observaciones.

“Este descubrimiento pone de manifiesto la importancia de los estudios realizados con Herschel. En este caso, permitieron descubrir la excepcional fuente HXMM01, que puede contener la clave para desvelar el misterio de cómo se formaron y cómo han evolucionado las galaxias súper masivas cuando el Universo todavía era muy joven”, añade Göran Pilbratt, Científico del Proyecto Herschel para la ESA.

Investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) han descubierto que la función gamma, una característica presente al inicio de la vida de las estrellas, desaparece durante su etapa adulta, pero que vuelve a emerger en sus etapas finales, cuando ya son estrellas de neutrones o enanas blancas. El estudio se publica en la revista Astronomy & Astrophysics.

En cierto sentido, las estrellas tienen 'recuerdos' de sus etapas iniciales. Así lo señala un estudio realizado por Antonio Claret, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) con la colaboración del físico Matthias Hempel de la Universidad de Basilea (Suiza).

A lo largo de su vida, las estrellas sufren cambios en su masa, presión, composición y estructura interna para, al agotar su combustible y dependiendo de su masa inicial, evolucionar hacia un objeto compacto como una enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro.

En principio se podría pensar que esta agitada evolución, que incluye episodios explosivos como el de supernova en el caso de estrellas masivas, impediría a las estrellas conservar al final de su vida alguna 'memoria' o características de sus primeras etapas, pero no es así.

Según el estudio, que recogen dos artículos de la revista Astronomy & Astrophysics, se conserva un tipo de 'memoria' especial: la función gamma, que guarda relación con tres parámetros estelares.

Por un lado, la energía potencial de la estrella, que surge del hecho de que sea una esfera de gas autogravitante. Por otro, su momento de inercia, que describe su resistencia a girar y está ligado a cómo se distribuye la masa en su interior –algo parecido al caso de una patinadora, que puede modificar su velocidad de rotación estirando o contrayendo los brazos–. Y finalmente, el grado de compacidad.

"Hemos estudiado el comportamiento de gamma desde las primeras fases hasta los estadios finales de la evolución estelar y concluimos que, si bien dicha función es invariable hasta las primeras etapas de la secuencia principal, o etapa juvenil, después pierde por completo esa constancia durante la etapa adulta, varía drásticamente y puede tomar valores miles de veces mayores que al inicio de la vida de la estrella”, apunta Claret.

Pero lo verdaderamente fascinante reside en que, tras las fases finales de la etapa adulta y los procesos violentos que se producen cuando las estrellas agotan su combustible, cuando estas alcanzan su fase de objeto compacto –sea enana blanca o estrella de neutrones– recuperan ese valor constante que presentaban en su infancia.

"Es curioso que esta función se pierda para reaparecer en las fases finales. Parece comportarse como un fósil: después de virtualmente desaparecer, vuelve a escena y nos aporta información sobre el organismo original", señala el investigador.

El estudio indaga también en las razones por las que ese valor constante desaparezca para volver a surgir al final de la vida de las estrellas. Y se halla una correlación entre la cantidad de energía que se genera en el núcleo de una estrella y las variaciones en la función gamma. "Hemos extendido también esta investigación a planetas gigantes, de entre una y cincuenta veces la masa de Júpiter, y siguen la misma pauta, con la diferencia de que permanece constante a lo largo de toda su vida porque carecen de actividad nuclear. Parece realmente ser una función universal", apunta Claret.

De interés para las estrellas de neutrones

Esta investigación ha resultado de especial interés en el caso de las estrellas de neutrones, un tipo de objetos extremadamente compactos que pueden contener una masa equivalente a la del Sol concentrada en un diámetro aproximado de catorce kilómetros.

Estas estrellas constituyen un posible final en la vida de una estrella masiva que, tras expulsar todas sus capas en una explosión de supernova, solo conserva el núcleo. Si la masa de la estrella progenitora es menor que unas veinte masas solares dará lugar a una estrella de neutrones, mientras que si supera ese límite se contraerá hasta que su densidad se vuelva infinita y produzca finalmente un agujero negro.

"El hecho de que la función gamma se recupere incluso después de una explosión de supernova resulta sorprendente", afirma Claret. Gracias a este estudio, el investigador ha establecido un criterio de estabilidad para las estrellas de neutrones, que no solo define qué condiciones deben cumplir para conservar la estabilidad y no colapsar en un agujero negro, sino que además permitirá seleccionar, entre los modelos disponibles, cuál describe mejor la estructura interna de estos objetos.

"Actualmente estamos investigando las implicaciones de dichas propiedades en el umbral de la formación de agujeros negros", adelanta el investigador.