Los rayos láser de una hormiga cósmica.

La nebulosa de la Hormiga, Menzel 3.
Crédito: NASA, ESA y el equipo de herencia de Hubble (STScI / AURA).

El observatorio espacial Herschel de la ESA ha descubierto un extraño fenómeno en relación con la muerte de una estrella: una emisión láser poco común, procedente de la espectacular nebulosa de la Hormiga, que sugiere la presencia de un sistema binario estelar oculto en su interior. 

Cuando las estrellas de masa baja a media, como nuestro Sol, llegan al final de su vida terminan por convertirse en densas enanas blancas. Durante este proceso, expulsan al espacio sus capas externas de gas y polvo, creando un caleidoscopio de intrincadas figuras que se conoce como nebulosa planetaria.

Las observaciones en el infrarrojo de Herschel han mostrado que la muerte de la estrella central en el núcleo de la nebulosa es aún más espectacular de lo que implicaban las imágenes en luz visible (como las tomadas por el telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA). Los nuevos datos revelan que la nebulosa produce también una intensa emisión láser en su núcleo.

Mientras que, en el día a día, los láseres nos permiten disfrutar de efectos visuales en conciertos de música, las emisiones en el espacio se detectan a distintas longitudes de onda y en determinadas circunstancias. De hecho, solo se conocen unos pocos de esos láseres infrarrojos espaciales. 

Impresión del artista de algunos posibles caminos evolutivos para estrellas de
diferentes masas iniciales. Algunas proto-estrellas, enanas marrones, en realidad nunca
se calientan lo suficiente como para encenderse en estrellas totalmente desarrolladas,
y simplemente se enfrían y se desvanecen. Las enanas rojas, el tipo de estrella más común,
siguen ardiendo hasta que hayan transformado todo su hidrógeno en helio, convirtiéndose
en una enana blanca. Las estrellas parecidas a un Sol se hinchan en gigantes rojas antes
de inflar sus caparazones exteriores en coloridas nebulosas mientras sus núcleos colapsan
en una enana blanca. Las estrellas más masivas colapsan abruptamente una vez que han
consumido su combustible, desencadenando una explosión de supernova o explosión
de rayos gamma, y dejando atrás una estrella de neutrones o un agujero negro.
Crédito: ESA
Da la casualidad de que el astrónomo Donald Menzel, que fue el primero en observar y clasificar esta nebulosa planetaria en los años veinte del siglo pasado (por eso se denomina oficialmente Menzel 3), también fue uno de los primeros en sugerir que, en ciertas condiciones, la ‘amplificación de luz por emisión estimulada de radiación’ (o ‘Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation’, que dio lugar al acrónimo ‘láser’) podía tener lugar en nebulosas de gas. Esto sucedió mucho antes del descubrimiento y el primer uso del láser en laboratorio (1960), motivo por el que el 16 de mayo se celebra en todo el mundo el Día Internacional de la Luz.

“Cuando observamos a Menzel 3, vemos una asombrosa filigrana formada por gas ionizado, pero no podemos ver el objeto que, en su centro, produce esa estructura”, explica Isabel Aleman, autora principal de un artículo que describe los nuevos resultados.

“Gracias a la sensibilidad y al amplio alcance de longitud de onda del observatorio espacial Herschel, pudimos detectar un tipo de emisión muy poco común, denominado ‘emisión láser de línea de recombinación de hidrógeno’, que nos proporcionó una forma de desvelar la estructura y las condiciones físicas de la nebulosa”. 

Este tipo de emisión láser precisa de un gas muy denso cerca de la estrella. Al comparar las observaciones con modelos, se vio que la densidad del gas emisor del láser es unas diez mil veces mayor que la del gas que se halla en nebulosas planetarias típicas y en los lóbulos de la propia nebulosa de la Hormiga.

Normalmente, la región cercana a la estrella muerta (y, en este caso, entendemos por ‘cercana’ una distancia similar a la que hay de Saturno al Sol) está vacía, ya que la mayoría de su material se expulsa al exterior. El gas que pudiera quedar no tardaría en volver a caer hacia ella.

“La única forma de que el gas se mantenga cerca de la estrella es si orbita a su alrededor en un disco ,señala Albert Zijlstra, coautor del estudio. En este caso, lo que hemos observado es un disco denso situado en pleno centro que se ve aproximadamente de lado. Esta orientación ayuda a amplificar la señal láser. El disco sugiere que la enana blanca tiene una compañera binaria, ya que es difícil que el gas acceda a la órbita a menos que una estrella compañera lo desvíe en la dirección adecuada”.

El telescopio Herschel es un diseño clásico de Cassegrain con un espejo primario de
3.5 m y el más grande jamás lanzado al espacio y un espejo secundario más pequeño.
Este poderoso telescopio permite a los astrónomos mirar profundamente en el espacio
al detectar la luz emitida en las regiones infrarrojas lejanas y submilimétricas del espectro.
La atmósfera de la Tierra impide que la mayor parte de esta luz llegue a los telescopios
terrestres. Desde la órbita alrededor del segundo punto de Lagrange del sistema Sol-Tierra,
L2, a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra, Herschel cierra la brecha entre los
observatorios infrarrojos anteriores y los radiotelescopios terrestres. Esta imagen del
satélite se tomó durante las pruebas en el Centro Europeo de Investigación y Tecnología
Espaciales de la ESA, ESTEC, Países Bajos.
Crédito: ESA


Los astrónomos aún no han visto la esperada segunda estrella, pero creen que la masa de la compañera moribunda se está expulsando para ser después capturada por la estrella central compacta de la nebulosa planetaria original, dando lugar al disco en el que se produce la emisión láser.

“Estábamos utilizando el telescopio Herschel para caracterizar distintos componentes del gas y polvo en nebulosas alrededor de estrellas antiguas, pero no buscábamos fenómenos láser en sí, añade Toshiya Ueta, investigador principal del proyecto Herschel Planetary Nebula Survey. Hasta ahora, solo se ha identificado una emisión así en un puñado de objetos; fue un descubrimiento importante e inesperado. ¡Parece que las nebulosas estelares son mucho más de lo que aparentan!”

“Este estudio sugiere que la llamativa nebulosa de la Hormiga, tal y como la vemos hoy en día, se generó a partir de un sistema estelar binario, lo que ha influido en su forma, en sus propiedades químicas y en su evolución en estas últimas etapas de su vida”, indica Göran Pilbratt, científico del proyecto Herschel de la ESA.

“Herschel ofrecía las capacidades de observación perfectas para detectar este extraordinario láser en la nebulosa de la Hormiga. Los hallazgos ayudarán a delimitar las condiciones en que se produce este fenómeno y nos permitirán redefinir nuestros modelos de evolución estelar. Y que la misión Herschel se haya podido vincular con los dos descubrimientos de Menzel de hace casi un siglo es el final perfecto”.

Notas para los editores
El artículo “Herschel Planetary Nebula Survey (HerPlaNS): Hydrogen Recombination Laser Lines in Mz 3”, de I. Aleman et al., está aceptado para su publicación en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

El observatorio espacial Herschel estuvo operativo entre 2009 y 2013. 

Para más información:
Isabel Aleman
University of Sao Paulo, Brazil
Leiden Observatory, The Netherlands

Toshiya Ueta
University of Denver

Albert Zijlstra
University of Manchester / University of Hong Kong

Göran Pilbratt
ESA Herschel project scientist

Markus Bauer
ESA Science Communication Officer
Tel: +31 71 565 6799
Mob: +31 61 594 3 954

• Publicado en ESA el 17 de mayo del 2.018.

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