Estrella gigante roja R Sculptoris.

ALMA localiza una sorprendente estructura espiral.

Estructura en espiral descubierta por ALMA y que rodea a la estrella gigante roja R Sculptoris.

Nuevas observaciones de ALMA revelan los secretos de una estrella moribunda.

Utilizando el conjunto de telescopios ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) los astrónomos han descubierto una estructura espiral totalmente inesperada en el material que rodea a la vieja estrella R Sculptoris. Se trata de la primera vez que se encuentra este tipo de estructura, junto con la envoltura esférica, alrededor de una estrella gigante roja. También es la primera vez que los astrónomos han podido captar información tridimensional completa sobre esta espiral. Probablemente, la extraña forma fue creada por una estrella compañera oculta que orbitara la estrella gigante roja. Este trabajo es uno de los primeros resultados científicos de ALMA que van a ser publicados y aparece en la revista Nature esta semana.

Utilizando el conjunto ALMA (Atacama Large Millimeter / submillimeter Array), el telescopio milimétrico / submilimétrico más potente del mundo, un equipo de astrónomos ha descubierto una sorprendente estructura espiral en el gas que rodea a la estrella gigante roja R Sculptoris [1][2][3]. Esto significa que, probablemente, existiera una estrella compañera nunca vista orbitando a su alrededor [4]. Los astrónomos se sorprendieron al descubrir que la gigante roja ha eyectado mucho más material del esperado.

Visión de campo amplio que rodea
a la estrella gigante roja  R Sculptoris.

“Ya habíamos visto antes envolturas alrededor de estrellas de este tipo, pero es la primera vez que vemos una espiral de material saliendo de una estrella junto con una envoltura,” afirma el primer autor del artículo que presenta los resultados, Matthias Maercker (ESO e Instituto Argelander de Astronomía, Universidad de Bonn, Alemania).

Debido a que expulsan grandes cantidades de material, las estrellas gigantes rojas como R Sculptoris aportan la mayor parte del polvo y gas que forman la materia prima para la formación de futuras generaciones de estrellas, sistemas planetarios y, posteriormente, para la vida.

Incluso en su fase de ciencia temprana, cuando se llevaron a cabo las nuevas observaciones, ALMA superó a otros observatorios submilimétricos con creces. Observaciones anteriores mostraban claramente una envoltura esférica alrededor de R Sculptoris, pero no se detectaron ni la estructura espiral ni la estrella compañera.

"Cuando observamos la estrella con ALMA, aún no se habían instalado ni la mitad de las antenas. Es realmente emocionante imaginar qué podrá hacer el conjunto completo de ALMA una vez se termine de instalar en 2013," añade Wouter Vlemmings (Universidad Chalmers de Tecnología, Suecia), coautor del estudio. 

En una fase tardía de su vida, las estrellas con masas de hasta ocho veces la del Sol se convierten en gigantes rojas y pierden una gran cantidad de su masa a través de un denso viento estelar. Durante la fase de gigante roja las estrellas también viven episodios periódicos de pulsos térmicos. Se trata de fases cortas de explosiones de helio quemándose en la envoltura que rodea el centro estelar. El pulso térmico lleva a la expulsión de material de la superficie de la estrella a un ritmo mucho mayor de lo habitual, lo cual genera la formación de una gran envoltura de gas y polvo alrededor de la estrella. Tras este pulso, el ritmo de pérdida de masa de la estrella vuelve a sus valores normales.

Los pulsos térmicos tienen lugar aproximadamente cada 10.000 o cada 50.000 años, y duran solo unos pocos cientos de años. Las nuevas observaciones de R Sculptoris muestran que sufrió un pulso térmico hace unos 1.800 años y que duró entorno a 200 años. La estrella compañera dio forma de estructura espiral a los vientos R Sculptoris.

Antenas de ALMA y miembros asociados.

“Aprovechando la capacidad de ALMA para distinguir los detalles más finos, y estudiando la forma de la envoltura y de la estructura espiral, podemos comprender  mejor qué le pasó a la estrella antes, durante y después del pulso térmico”, dice Maercker. “Siempre supimos que ALMA nos proporcionaría una nueva visión del universo, pero es realmente emocionante que en esta etapa temprana, con uno de los primeros paquetes de resultados de las observaciones, estemos descubriendo cosas nuevas e inesperadas.” 

Con el fin de describir las estructuras observadas alrededor de R Sculptoris, el equipo de astrónomos ha diseñado simulaciones por ordenador para seguir la evolución de un sistema binario [5]. Estos modelos encajan muy bien con las observaciones de ALMA.

"Es un verdadero reto describir teóricamente todos los detalles observados por ALMA, pero nuestros modelos muestran que vamos por el buen camino. ALMA nos está dando una nueva visión de lo que está pasando en esas estrellas y de qué podría pasarle al Sol en unos cuantos miles de millones de años a partir de ahora," afirma Shazrene Mohamed (Observatorio Astronómico de Sudáfrica), uno de los coautores del estudio.

“En un futuro próximo, las observaciones de estrellas como R Sculptoris con ALMA nos ayudarán a entender cómo los elementos de los que estamos compuestos están en lugares como la Tierra. También nos da pistas de cómo será el futuro lejano de nuestra propia estrella” concluye Matthias Maercker.

Notas, evolución estelar.

[1] R Sculptoris es un ejemplo de estrella de la rama asintótica gigante (AGB, Asymptotic Giant Branch). Se trata de estrellas con masas iniciales de entre 0,8 y 8 masas solares en las fases finales de sus vidas. Son gigantes frías y rojas con grandes pérdidas de masa en forma de fuertes vientos estelares, y son variables típicamente de periodos largos. Su estructura consiste en un corazón central tenue de carbono y oxígeno rodeado de un caparazón de helio e hidrógeno ardientes, y una enorme envoltura convectiva. Con el tiempo, el Sol se convertirá en una estrella AGB.

[2] La cobertura eyectada, formada alrededor de las estrellas AGB, se compone de gas y  granos de polvo. Los granos de polvo pueden localizarse mirando la emisión térmica que se extiende desde las longitudes de onda del infrarrojo lejano hacia las ondas milimétricas. La emisión en longitudes de onda milimétricas de las moléculas de CO permite a los astrónomos obtener mapas de gran resolución de la emisión de gas proveniente de los fuertes vientos estelares generados por las estrellas AGB. Estas observaciones también son excelentes trazadores de la distribución de gas alrededor de estos objetos. La gran sensibilidad de ALMA hace posible obtener imagen directa de las zonas de condensación de polvo y de la estructura del material que hay alrededor de las estrellas AGB, mostrando detalles más pequeños que 0,1 segundos de arco.

[3] El telescopio espacial Hubble (NASA/ESA) ha observado una espiral similar, pero no su envoltura. Se trata de las observaciones de la estrella LL Pegasi. Pero, al contrario que en las nuevas observaciones de ALMA, estos datos no permitieron estudiar la estructura tridimensional completa. Las observaciones del Hubble detectaron el polvo y ALMA la emisión molecular.

[4] Las binarias ocultas también se han sugerido como explicación para las extrañas formas observadas en objetos relacionados, como las nebulosa planetarias. Tras la fase AGB, estrellas de baja masa o de masa intermedia (0,8–8 masas solares) terminarían sus vidas formando una nebulosa planetaria. Estos son los retos brillantes de la envoltura estelar de gas eyectado durante la fase AGB, ionizado por la radiación ultravioleta emitida por la estrella central. Muchas nebulosas planetarias tienen morfologías extremadamente complejas y variadas. Se ha sugerido que los mecanismos que producen tanta variedad de formas pueden ser estrellas binarias centrales, discos estelares y campos magnéticos.

[5] El sistema modelado consiste en una estrella primaria AGB, con una pequeña estrella compañera, que atraviesa una fase de pulso térmico. La separación entre las estrellas utilizada en la simulación es de 60 unidades astronómicas con una masa total del sistema de dos masas solares. El periodo orbital es de 350 años. Una Unidad Astronómica es la distancia media de la Tierra al Sol, 150 millones de kilómetros.

Información adicional.

Esta investigación ha sido presentada en el artículo “Inesperada gran pérdida de masa durante el ciclo de pulso térmico de la estrella gigante roja R Sculptori (Unexpectedly large mass loss during the thermal pulse cycle of the red giant star R Sculptoris)”, por Maercker et al. que aparecerá en la revista Nature.

Equipo científico.

El equipo está compuesto por M. Maercker (ESO; Instituto Argelander de Astronomía, Universidad de Bonn, Alemania), S. Mohamed (Instituto Argelander de Astronomía; Observatorio Astronómico de Sudáfrica, Sudáfrica), W. H. T. Vlemmings (Observatorio Espacial de Onsala, Universidad Chalmers de Tecnología, Onsala, Suecia), S. Ramstedt (Instituto Argelander), M. A. T. Groenewegen (Real Observatorio de Bélgica, Bruselas, Bélgica), E. Humphreys (ESO), F. Kerschbaum (Departamento de Astronomía, Universidad de Viena, Austria), M. Lindqvist (Observatorio Espacial de Onsala), H. Olofsson (Observatorio Espacial de Onsala), C. Paladini (Departamento de Astronomía, Universidad de Viena, Austria), M. Wittkowski (ESO), I. de Gregorio-Monsalvo (Observatorio Conjunto ALMA, Chile) y L. A. Nyman (Observatorio Conjunto ALMA).

El año 2.012 marca el 50 aniversario de la creación de la ESO.
Póster conmemorativo.

El año 2012 marca el 50 aniversario de la creación del Observatorio Europeo Austral (European Southern Observatory, ESO). ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Quince países apoyan esta institución: Alemania, Austria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Holanda, Italia, Portugal, el Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño, construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también desarrolla un importante papel al promover y organizar la cooperación en investigación astronómica. ESO opera tres sitios únicos de observación de categoría mundial en Chile: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope, el observatorio óptico más avanzado del mundo, y dos telescopios de rastreo. VISTA trabaja en el infrarrojo y es el telescopio de rastreo más grande del mundo, y el VST (sigla en inglés del Telescopio de Rastreo del VLT) es el telescopio más grande diseñado exclusivamente para rastrear el cielo en luz visible. ESO es el socio europeo de un revolucionario telescopio, ALMA, el proyecto astronómico más grande en desarrollo. Actualmente ESO está planificando el European Extremely Large Telescope, E-ELT, el telescopio óptico y de infrarrojo cercano de 39 metros, que llegará a ser “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.

¿Qué es ALMA?

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una colaboración entre Europa, América del Norte y Asia Oriental  en cooperación con la República de Chile. ALMA está financiado en Europa por el Observatorio Europeo Austral (ESO), en América del Norte por la Fundación Nacional de Ciencia de los Estados Unidos (NSF) en cooperación con Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) y el Consejo Nacional de Ciencias (NSC) de Taiwán; y en Asia Oriental  por los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán.  La construcción y operaciones de ALMA en Europa están lideradas por ESO; en América del Norte por el National Radio Astronomy Observatory (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI); y en Asia Oriental por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ). El Observatorio Conjunto ALMA (Joint ALMA Observatory, JAO) proporciona al proyecto la unificación tanto del liderazgo como de la gestión de la construcción, puesta a punto y operación de ALMA.

Publicado en ESO el 10 de octubre del 2.012.