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Biografía del Universo 29: La fiesta continúa en las estrellas II




La entrada anterior de esta serie que titulamos “Biografía del Universo” la dedicamos a introducirnos en el mundo de las estrellas, hablando de las más antiguas, las de Población III, y de sus hijas, las de Población II. La cortamos ahí, pues ya se nos iba haciendo larga. Hoy procede seguir con la saga familiar, ya que la vida continúa.

La siguiente generación de estrellas fueron las de Población I. Normalmente son estrellas jóvenes, que se encuentran habitualmente en las galaxias espirales y, según sea su edad, se sitúan en ellas en distintas zonas: las más jóvenes cerca del bulbo de la galaxia y las de mayor edad alejadas de este centro. Ya hemos comentado que tienen una alta metalicidad, la mayor entre la de las tres poblaciones de estrellas. Apoyados en esta característica, hasta hace poco se pensaba que la alta metalicidad les hacía las mejores candidatas para tener sistemas planetarios, en especial los de tipo rocoso. Sin embargo, gracias a la misión Kepler, se han encontrado este tipo de planetas alrededor de estrellas con un amplio rango de metalicidades, e incluso se han hallado planetas gigantes gaseosos que sorprendentemente se encuentran agrupados alrededor de estrellas de alta metalicidad. Aún hay mucho que aprender.

Una vez presentadas las tres poblaciones estelares, y antes de pasar a desarrollar un poco más el tema de los sistemas planetarios, conviene dar un último apunte sobre la biografía de las estrellas. En la entrada número 25 habíamos apuntado que las primeras galaxias fueron muy abundantes y con estrellas jóvenes irradiando en la frecuencia ultravioleta. Con el tiempo el número de galaxias descendió, y pensamos que lo ha hecho en un factor de 20. Podemos extender la misma curiosidad a las estrellas: ¿hay más ahora que antes? ¿Al revés? ¿Cuál pudo ser la dinámica en su formación? Los astrónomos hacen sus cálculos a partir de la luminosidad de las galaxias, lo que les permite hacer una razonable extrapolación de la cantidad de estrellas que las “habitan”. Desde las lógicamente escasas primeras estrellas formadas se debió dar una escalada en su población hasta alcanzar para corrimientos al rojo -z- del orden de 6 o 5[1] una meseta que más o menos se mantuvo hasta un z=1.[2] A partir de entonces se observa un progresivo declinar en el número de las estrellas. Así que habrá que pensar que el Universo andaba más revuelto en el pasado que en nuestros días.

Curva de la evolución estelar a lo largo de la vida del Universo. En la parte de arriba referenciadas al corrimiento al rojo y en la parte de abajo a la edad retrospectiva del Universo desde hoy (SFR= Star Formation Ratio) (Imagen a extraída del curso on-lineEl Universo en formación“, por el profesor S. George Djorgovski, CALTECH, fair use)

Pero sigamos con nuestro relato, ahora hacia los sistemas planetarios. Una galaxia espiral que nos es muy familiar es en la que vivimos, nuestra galaxia la Vía Láctea. Se formó hace 13.210 millones de años, a partir de un colapso gravitatorio. En ella nació nuestro sistema solar hace unos 5 mil millones de años, también a partir del colapso gravitatorio de una nube molecular en donde predominaba el hidrógeno neutro. En su centro se halla una estrella, el Sol. Es una estrella de población I. Estable, a la que aún le quedan por delante otros 5 mil millones de años de vida. Tiene su sistema planetario, y estamos seguros de que no es de los más viejos, ya que sabemos que en el universo había planetas desde una época temprana. Gracias a la misión Kepler se ha encontrado el sistema planetario más antiguo conocido por ahora. Tiene 11.200 millones de años de edad, a 2.600 millones de años del Big Bang. Se trata del sistema planetario de la estrella Kepler-444, que se encuentra en nuestra galaxia a solamente 117 años luz de distancia de nosotros. Lo que sabemos por ahora nos habla de 5 planetas rocosos más pequeños que la Tierra.

Sistemas planetarios que actualmente se encuentran en formación en la Gran Nebulosa de Orión (Imagen: NASA, ESA, M. Robberto (STScI/ESA), HST Orion Treasury Project Team y L. Ricci (ESO) CC BY 4.0)

Gracias a los nuevos telescopios como el Hubble se empieza a entender cómo se originan estos cuerpos secundarios. Este telescopio ha estudiado la Gran Nebulosa de Orión y ha obtenido unas excelentes imágenes en las que se aprecian con toda claridad multitud de protodiscos planetarios con claroscuros, resultante de la luz de su joven estrella y la opacidad del polvo que los forma. Evidentemente son el resultado de un colapso gravitatorio. Una vez más, grandes masas de gases y polvo, principalmente partículas de silicatos, carbonatos o hielo, formaron una burbuja de materia. Bajo la fuerza de la gravedad la burbuja comenzó a compactarse y a girar como consecuencia del mantenimiento del momento angular de sus partículas, produciéndose así el disco en cuyo centro se alumbró una estrella y donde, en las periferias cada vez más frías cuanto más alejadas de la estrella, fueron apareciendo los planetas. Se cree que estos discos planetarios tienen una estructura muy fina, con un espesor vertical mucho más pequeño que su radio, y una masa que también contrasta con la abundante acumulación en el bulbo central, que puede suponer incluso un 98 o 99% del total. Su composición es mayoritaria de gases que engloban granos de polvo que van a ser decisivos a la hora de la formación de planetas. También se cree que la parte interior del disco tiene una dinámica muy relajada, mientras que su envuelta exterior está configurada por un plasma muy turbulento.

No se sabe muy bien cuál pudo ser el mecanismo originador de los planetas en este halo estelar. Quizás no hay uno sólo. Hoy por hoy se cree que los planetas pudieron aparecer o bien por acreción del polvo en el disco, o bien por inestabilidades gravitatorias, llamémosles remolinos secundarios, dentro del disco giratorio. Estas últimas podrían ser producidas por el paso de ondas de presión resultado de la explosión de supernovas cercanas. Los modelos estudiados indican que el primer proceso es muy lento y el segundo mucho más rápido. Y la velocidad importa, ya que lo que realmente se ve al observar el espacio es que las nuevas estrellas pierden su disco original en un periodo de 10 millones de años en promedio. Cualquier planeta que no se haya formado en este tiempo ha perdido el tren.

Imagen tomada por el telescopio ALMA en Atacama, que corresponde al sistema protoplanetario HL Tauri (Wikipedia: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), CC BY 4.0)

La acreción planetaria presenta tres fases. La primera, con las primeras concentraciones locales -a una determinada distancia radial del bulbo central- de polvo y partículas que van barriendo el disco, de forma que se va generando un anillo específico cada vez más limpio donde luego acabará apareciendo un solitario planeta. Esta fase puede durar hasta medio millón de años, hasta formarse en el anillo una masa sólida superior a la de la Luna, cuando el planeta ha “depredado”, como hemos dicho, casi todo el material en su zona de influencia. En la segunda fase, más estable, esta masa de tamaño lunar, además de seguir barriendo polvo y partículas, atrae gas sobre su superficie, creando lo que podemos asimilar a una protoatmósfera. Esta fase es la que condiciona el tiempo de formación del planeta. Cuando la masa gaseosa es igual a la sólida, y eso sucede más o menos cuando el planeta tiene de 5 a 20 veces la masa de la Tierra, comienza un incremento exponencial en la fijación de gas atmosférico acompañado por los últimos coletazos de captación de sólidos, iniciándose una carrera hacia la formación de planetas gigantes gaseosos del tipo jupiteriano. Esta última fase es muy rápida y tiene que acabar antes de que desaparezca el disco planetario, que como dijimos finalizará su vida en un periodo máximo del entorno de los 10 millones de años. En la siguiente figura se pueden analizar las curvas que dibujan la dinámica del proceso que acabamos de explicar.

Modelo de acreción de planetas gaseosos (Gráfico: James B Pollack, Icarus 124, 1996, fair use)

Cuando la proto-estrella inicia la fusión nuclear del hidrógeno o del helio que la forman, el viento de partículas resultantes[3] empuja a las moléculas más livianas del disco -como las de agua, amoniaco, metano o dióxido de carbono- hacia afuera, quedando en las proximidades de la estrella las moléculas más pesadas, tales como los silicatos o los metales. En estos sistemas se define la línea de hielo como aquella frontera, dentro del disco protoplanetario, en donde el calor de la estrella deja de ser suficiente como para que no se produzca la condensación de las moléculas sencillas que iba empujando el viento estelar. Más allá de esta frontera el frío hace que condensen y queden así atrapadas, congeladas, sobre las partículas de polvo del disco. Las experiencias en laboratorio muestran cómo este tipo de congelación no supone el generar hielo sólido, sino una especie de nieve porosa, lo que aún favorecería más la captura de los granos de polvo y el inicio de mayores conglomerados, que de otra manera tenderían a interactuar entre ellos con choques elásticos que los dispersarían. De forma que la acreción gravitatoria en la parte interior del sistema iba generando planetas rocosos, mientras que en el exterior planetas gigantes gaseosos.

Llegados a este punto del relato, cuando ya han aparecido todos los actores principales, no nos queda más que explicar cómo es el escenario, cual es el ballet cósmico que representan, cómo se distribuyen a través del espacio-tiempo. Así que la siguiente entrada la vamos a dedicar a observar las magníficas estructuras luminosas -¡y oscuras!- que atraviesan el vacío cósmico de nuestro Universo.

  1. Cuando la edad del Universo era de unos 1.000 millones de años. []
  2. Edad del Universo de 6.000 millones de años. []
  3. Recordad que la masa de las estrellas es un plasma de átomos ionizados, en su gran mayoría núcleos de hidrógeno -protones- e iones de helio en un perfecto chapuzón con los electrones que perdieron en su ionización. La temperatura es altísima -en el Sol, de unos 6.000K- lo que quiere decir que las partículas más ligeras de este plasma, protones y electrones, pueden saltar al exterior e independizarse, iniciando un largo viaje a velocidades próximas a la de la luz. En nuestro sistema ellos son lo que llamamos viento solar. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 21 } Comentarios

  1. Gravatar Abdel | 19/03/2018 at 03:04 | Permalink

    para la formación de nuestro planeta los elementos pesados llegaron en los asteroides me imagino , o de explosiones de supernovas tipo 2 cercanas .

  2. Gravatar jreguart | 19/03/2018 at 02:37 | Permalink

    Hola Abdel,

    las grandes explosiones de las supernovas generan la energía suficiente para fusionar elementos de número atómico por encima del hierro. La onda energética de la explosión, si atraviesa una de las nubes de gases interestelar que están por el universo (y seguramente siempre es así pues las estrellas nacen y mueren dentro de esas nubes incubadoras), es capaz de fusionar los elementos que allí se encuentran generando los de número atómico por encima del del Fe. Estos elementos más pesados quedan en la nube de gas conjuntamente con los que antes estaban ya allí. La misma energía de la explosión puede desestabilizar los gases de la nube e inducir una concentración de masas que a la larga, si tiene las condiciones necesarias, provocará la generación de una nueva protroestrella con su disco de protoplanetas. Lógicamente en el material de ese disco y de esa estrella naciente se encuentran nuestros elementos, los primordiales y los secundarios. Una vez creado un planeta, como la Tierra, allí queda la materia inicial de la nube que ya estaba enriquecida con níquel, con rubidio, con uranio… Es evidente que en los asteroides también se encuentran estos elementos más pesados pues salieron de la misma nube de gases inicial, pero la Tierra cuando se formó ya los tenía, sin necesidad de que le aportara su parte los múltiples asteroides que chocaron en los primeros años de formación cuando el bombardeo intenso tardío. De todas formas, y como curiosidad, te comento que se suele decir que en el Universo hay 75% de hidrógeno 25% de Helio. Eso suma 100. Y eso no es demasiado disparatado ya que el resto de elementos por encima del Helio no llegan ni al 1% del Universo.

  3. Gravatar Baran | 19/03/2018 at 07:31 | Permalink

    En un comienzo los planetas gaseosos se encontraban más cerca del sol , lo leí por ahí .

  4. Gravatar jreguart | 19/03/2018 at 10:28 | Permalink

    Hola Baran,

    leíste bien. Para todos los que estéis interesados en el tema propongo un enlace a un completísimo y asequible artículo de Daniel Marín en el blog Naukas: http://danielmarin.naukas.com/2011/07/04/la-historia-del-sistema-solar-o-de-como-saturno-salvo-a-la-tierra/

  5. Gravatar Cavaliery | 20/03/2018 at 02:23 | Permalink

    Hola

    Nunca entendí por qué a las primeras estrellas no se las llamó Poblacion I, y luego contando hacia adelante (en lugar de hacia atrás).

    Saludos

  6. Gravatar jreguart | 20/03/2018 at 08:37 | Permalink

    Hola Cavaliery,

    yo tampoco sé exactamente el motivo de este orden, pero me imagino que es el lógico dado que el misterio parte de hoy y se extiende hacia los tiempos más remotos del universo. Las estrellas más modernas las conocemos, la generación anterior en cierta medida también aunque aún andemos detrás de ellas… pero de “las abuelas” solo tenemos indicios, solo sabemos de forma indirecta de su necesaria existencia.

  7. Gravatar Dino | 21/03/2018 at 03:15 | Permalink

    en general , cada vez que leo en revistas o diarios serios de divulgación científica encuentro que casi todos fallan en las distancias interestelares , o en los números grandes en general . cito textual . “A este respecto, los investigadores han calculado que en un radio de 70 años luz alrededor del centro galactico la separación media entre estrellas es de “apenas” entre 75 y 750 millones de km, mientras que en nuestra región de la galaxia la estrella más cercana al Sol se encuentra a más de 40.000 millones de km de distaancia”….. 40 billones de kms es más cercano a lo real . lamentablemente uno termina poniendo en duda los otros valores en la publicación . si no fuera porque ya lo he leído en otros sitios cualquiera dudaría que dos estrellas puedan estar casi a la misma distancia en la que se encuentran Mercurio y nuestro Sol . en fin , felicito a quienes hacen posible éste blog de divulgación científica .

  8. Gravatar jreguart | 21/03/2018 at 07:27 | Permalink

    Hola Dino,

    lo primero… gracias por tus amables palabras. No sé si siempre cumpliremos pero nuestra intención siempre es dar la información más contrastada.

    Estoy de acuerdo contigo que en los medios se leen algunas noticias con titulares que te ponen los pelos de punta, o son sensacionalistas o directamente son falsas. Por no decir amparadas por un “inocente” wishfull thinking que arrima el ascua a su sardina. Las prisas en algunas redacciones conllevan el que se presenten como ciertos, temas en los que no se ha empleado ni un minuto en contrastar. Por no decir la comunicación de hechos como trascendentes cuando realmente son una gota en el mundo de la ciencia, que quizás en el futuro será un mar pero que en el momento que se presenta al público son meramente un indicio a contrastar con otras investigaciones alternativas.

    En el caso que comentas (creo que en http://www.abc.es/ciencia/abci-agujeros-negros-supermasivos-crean-planetas-rocosos-como-tierra-201803082117_noticia.html) el articulista se equivocó en un factor de 1000 en la distancia entre el Sol y Próxima Centauri (¿se equivocó al pensar en billones americanos y europeos?). El articulista también comenta que alrededor del centro galáctico la separación media entre estrellas es de “apenas” entre 75 y 750 millones de km, lo que da mucho que pensar ya que el Sol está de la Tierra a 150 millones de kilómetros. Sin embargo en el artículo original del Astrophysical Journal Letters de 26 de febrero de 2018 [ http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aaab46/pdf ] se dice que la separación entre estrellas en el centro galáctico es de 500 a 5000 unidades astronómicas (10exp5 a 10exp6 millones de kms).

    Dicho lo anterior sí quiero resaltar lo importante del artículo que se recoge en su título: “Habitable Evaporated Cores and the Occurrence of Panspermia Near the Galactic Center”. ¡Qué también se las trae! Este es el curioso razonamiento: “Black holes growing via the accretion of gas emit radiation that can photoevaporate the atmospheres of nearby planets… this removal results in bare rocky cores, many of which are situated in the habitable zones of G-type stars… The high stellar densities in this region… imply that the distance between neighboring rocky worlds is short (500–5000 au)… The proximity between potentially habitable terrestrial planets may enable the onset of widespread interstellar panspermia near the nuclei of our galaxy.” ¡Ahí queda eso!

  9. Gravatar Nahuel | 23/03/2018 at 04:20 | Permalink

    encontré en la web una noticia acerca del un original nacimiento de estrellas en las nubes de Magallanes y quiero compartirlo con los amigos del Cedazo y naturalmente con nuestro querido amigo Jreguart . haber si te llama la atención y comentas tu impresión de la noticia ; que a mi personalmente me impresionó mucho y como estamos en el tema justo ahora , que mejor …. ¿no crees tu? aquí va el enlace . http://ingenieria.uchile.cl/noticias/141790/encuentran-formacion-estelar-en-periferia-de-gran-nube-de-magallanes

  10. Gravatar jreguart | 23/03/2018 at 08:53 | Permalink

    Hola Nahuel,

    muchas gracias por tu aportación. Realmente, si es cierto lo que los investigadores proponen, la generación de estrellas por la acción de masas fuera de la propia nube que forma la galaxia madre se revela como un mecanismo atípico a lo que normalmente se pensaba. Realmente aun tenemos que descubrir mucho de nuestro Universo.

  11. Gravatar Baran | 23/03/2018 at 11:15 | Permalink

    “La onda energética de la explosión, si atraviesa una de las nubes de gases interestelar que están por el universo (y seguramente siempre es así pues las estrellas nacen y mueren dentro de esas nubes incubadoras), es capaz de fusionar los elementos que allí se encuentran generando los de número atómico por encima del del Fe” . la noticia de Nahuel me hizo recordar esta información que entregas en ésta serie , aunque son de diferente origen , igual es fascinante la forma como suceden estas cosas en el universo . La realidad no necesita de la ficción para impresionarnos . cada día nos trae tantas sorpresas en todos los ámbitos .

  12. Gravatar Fernando | 24/03/2018 at 12:33 | Permalink

    “la interacción gravitacional entre estas galaxias, junto con la interacción de ambas con la Vía Láctea, ha generado ondas de presión que se desplazan a través del espacio y que comprimen el material en algunas zonas”. ¿estas ondas de presión , probables generadoras de éstas estrellas son algo así como fuerzas de marea gravitacionales?

  13. Gravatar jreguart | 24/03/2018 at 03:45 | Permalink

    Hola Fernando,

    desgraciadamente no puedo aportar luz a tu pregunta. No soy experto en el tema. Por lo que leo en el artículo que nos ha propuesto Nahuel, creo que el fenómeno de consolidación de estas jóvenes estrellas en el halo de la nube también representa una sorpresa y genera duda en sus descubridores: “… nos da pistas sobre cómo ha sido la interacción entre la nube grande y la nube chica…“. En otra reseña leo que: “El hecho que exista formación de estrellas a tan larga distancia del centro de la Gran Nube de Magallanes es un indicio de que hay interacción con otras galaxias, en este caso probablemente con la Pequeña Nube de Magallanes, ya que cuando interactúan se perturban y pueden estresar el gas, el que se comprime y colapsa, formando nuevas estrellas.”“. Lo que no deja de ser una apunte acerca de una posible hipótesis siempre dentro del campo de la influencia gravitatoria. Seguiremos el tema que puede resultar apasionante.

  14. Gravatar Galo | 24/03/2018 at 05:41 | Permalink

    La fricción es una parte importante en los efectos de marea gravitacionales , y ésta puede ser un componente a considerar . Éstos son efectos secundarios de la interacción gravitatoria.

  15. Gravatar jreguart | 24/03/2018 at 06:34 | Permalink

    Muchas gracias Galo.

  16. Gravatar Fernando | 24/03/2018 at 07:56 | Permalink

    Así es , la fricción genera calor y si ésta se genera por los tirones gravitacionales entre galaxias cualquier cosa puede suceder. Parece ser una buena idea creo yo .

  17. Gravatar Franco | 28/03/2018 at 03:57 | Permalink

    “Fibras de gas interestelar formando estrellas en Orión”. información que sirve de complemento para los cedaceros que siguen ésta entrada . http://www.elmundo.es/ciencia-y-salud/ciencia/2018/03/26/5ab52e4722601d634d8b457b.html

  18. Gravatar jreguart | 28/03/2018 at 06:14 | Permalink

    Muchas gracias Franco. Yo quiero aportar esto que acabo de leer relacionado con la materia oscura de algunas galaxias: http://www.elmundo.es/ciencia-y-salud/ciencia/2018/03/28/5aba607e46163f8e628b45a5.html. En este artículo aparece la siguiente frase: “los que ya conocen sus resultados, dice Van Dokkum, la han acogido con “una mezcla de escepticismo e interés“. Así es la ciencia. Habrá que buscar evidencias en otros casos.

  19. Gravatar Garces gana | 29/03/2018 at 12:02 | Permalink

    todos los cisnes son blancos , todas las galaxias tienen materia oscura ….. eso es lo bueno de uno de los pilares del método científico : el falsacionismo.

  20. Gravatar Galo | 29/03/2018 at 12:48 | Permalink

    Sería interesante saber si las estrellas más alejadas del centro de esa galaxia tienen velocidades mayores como sucede cuando existe materia oscura .

  21. Gravatar Garces Gana | 29/03/2018 at 04:29 | Permalink

    exactamente , en el halo galáctico se encuentra gran cantidad de materia oscura tirando de las estrellas exteriores de las galaxias , y si en ésta galaxia no existe materia oscura , entonces cómo explicar su dinámica interna en este caso tan extraño ?

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