Detectando elementos pesados en nebulosas planetarias.

Detectan telurio en uno de sus lugares de origen.

Imágenes de las nebulosa planetarias NGC 7027 (izquierda) e IC 418 o nebulosa del espirógrafo (derecha) en las que se han detectado rasgos de emisión que confirman la presencia de elementos muy pesados. Crédito: NGC 7027: Hubble Legacy Archive, ESA, NASA. Procesado: Delio Tolivia Cadrecha); IC 418: Hubble Heritage Team (STScI/AURA), R. Sahai, A. R. Hajian.

Un equipo internacional liderado por un estudiante de doctorado del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y de la Universidad de La Laguna (ULL) logra identificar la emisión de telurio en el espectro infrarrojo en dos nebulosas planetarias y de bromo en una de ellas.

Al final de su vida, las estrellas se desprenden de sus capas más externas formando nebulosas planetarias. A través de este proceso, inyectan en el medio interestelar los elementos químicos que durante miles de millones de años han sintetizado en su interior. Aquellos que son más pesados que el hierro no pueden ser producidos en las reacciones de fusión nuclear que ocurren en el interior de las estrellas porque ese proceso requeriría más energía de la que podrían generar. Estos elementos se forman mediante un proceso conocido como “captura de neutrones”, que ocurre en las etapas finales de la vida de las estrellas.

IGRINS, el Espectrómetro Infrared Inmersion Grating, es un instrumento
 extremadamente poderoso y único que obtiene una cobertura espectral
amplia y una alta resolución espectral. IGRINS es una colaboración de la
Universidad de Texas, el Instituto de Astronomía y Ciencia Espacial de
Corea KASI. El Prof. Daniel Jaffe de UT Austin es el IGRINS PI. El Dr.
Chan Park de KASI es diputado PI y KASI instrumento PI. El Dr. Jae-Joon
Lee en KASI supervisa el programa operativo IGRINS en el lado coreano.

“A medida que se van sucediendo, estas capturas de neutrones dan lugar a elementos cada vez más pesados”, explica Simone Madonna, estudiante de doctorado en el IAC y autor principal de este trabajo. Y añade: “Este fenómeno físico ocurre siempre en los últimos momentos de vida de las estrellas: o bien en acontecimientos violentos relacionados con la muerte de estrellas de muy alta masa y que generan una enorme cantidad de neutrones libres, como explosiones de supernova o choques de estrellas de neutrones (uno de los cuales ha sido detectado recientemente por los observatorios de ondas gravitacionales), o bien en la fase final de la vida de estrellas de baja masa (entre 1 y 8 masas del Sol), en las que el flujo de neutrones es mucho menor. En el primer caso, el proceso se denomina “proceso-r” (de rapid, en inglés) y en el segundo caso, “proceso-s” (de slow, en inglés)”

Jorge García Rojas, investigador postdoctoral del IAC y director de la tesis de Simone, indica que “hemos detectado por primera vez rasgos espectrales en emisión de una línea de telurio en dos nebulosas planetarias (y de bromo en una de ellas) en el rango infrarrojo del espectro gracias a las datos obtenidos con los espectrógrafos EMIR, instalado en el Gran Telescopio Canarias, e IGRINS, instalado en el Harlan J. Smith Telescope, en el Observatorio McDonald de Texas, EE.UU“. A través de la luz que recibimos de las nebulosas y mediante la técnica de la espectroscopía, que descompone la luz como en un arcoíris, podemos determinar qué elementos químicos están presentes en el gas, y a que cada elemento presenta un patrón único de líneas de emisión en el espectro electromagnético. Gracias a ella, se ha localizado por primera vez, en el espectro infrarrojo de nebulosas planetarias, una línea de emisión de telurio y otra de bromo. Estas son las detecciones más claras de iones de estos dos elementos pesados en uno de los lugares en dónde se forman.

“El uso de grandes telescopios e instrumentación específica es necesario debido a lo extremadamente débiles que son estas líneas, ya que corresponden a elementos muy poco abundantes en el Universo” comenta Francisco Garzón otro de los autores del artículo, investigador del IAC y de la ULL y responsable del instrumento EMIR.

EMIR conectado a la estación focal Nasmyth A del telescopio GTC.

“Para determinar las abundancias de estos elementos, hemos necesitado realizar un modelo atómico teórico para calcular los parámetros atómicos de los iones observados”, explica Manuel Bautista, físico atómico de la Universidad de West Michigan y coautor del artículo. La importancia de la detección de estas líneas en nebulosas planetarias se basa en el hecho de que son mejores indicadores de la abundancia real del elemento que las líneas detectadas en estrellas evolucionadas y nos dan la oportunidad de estudiar el elemento en su lugar de origen. El telurio, en particular, es de especial importancia ya que se puede producir tanto por procesos-r como por procesos-s.  

“Las abundancias calculadas de Telurio de  las nebulosas planetarias NGC7027 e IC418, indican que este elemento es mucho más abundante de lo esperado en la vecindad solar, cuyo patrón de abundancias se distribuye según lo esperado si el proceso-r fuera el responsable del origen de estos elementos pesados, apunta Simone, por lo que parte del telurio en estas nebulosas planetarias se debe de haber originado mediante el proceso-s”.

Nicholas Sterling, profesor de la Universidad de West Georgia y codirector de la tesis de Simone, indica que “investigar la producción de estos elementos en todos sus lugares de origen (nebulosas planetarias, explosiones de estrellas masivas y colisiones de estrellas de neutrones) nos ayuda a entender mejor la contribución del  proceso-s y el proceso-r en la formación de elementos pesados y afinar con mucho detalle los modelos teóricos de evolución química del Universo.”

Artículo: “Neutron-capture elements in planetary nebulae: first detections of near-infrared [Te III] and [Br V] emission lines”, por S. Madonna, M. A. Bautista, H. Dinerstein, N. C. Sterling, J. García-Rojas, K. F. Kaplan, M. M. Rubio-Díez, N. Castro-Rodríguez y F. Garzón, The Astrophysical Journal Letters. DOI: 10.3847/2041-8213/aaccef, enlace artículo.

Artículo en astro-ph: https://arxiv.org/pdf/1806.05458.pdf

Contacto.

Simone Madonna.

E-mail: smadonna@iac.es 

Teléfono: 922605200 (extensión 5562)

Jorge García Rojas. 

E-mail: jogarcia@iac.es 

Teléfono: 922605200 (extensión 5311)