La violenta, misteriosa dinámica de la formación estelar

Iluminar el universo es un negocio violento.
Cuando la mayoría de la gente observa una oscura y limpia noche, se asombran sobre cuántas estrellas hay. Los astrónomos tienen una reacción opuesta: se maravillan de la increíble escasez de estrellas. Considerando la cantidad total de material disponible en nuestra galaxia para la formación estelar, debería haber hasta 10 veces la cantidad actual de estrellas. ¿Porqué, entonces, el cielo nocturno no arde con luz estelar?

No es algo malo que haya tan pocas estrellas, todo lo contrario. Las estrellas queman gas, principalmente hidrógeno. Todo el hidrógeno en el universo fue formado durante el big bang, unos 13.8 mil millones de años atrás. Cada galaxia posee una porción finita de este combustible primordial, y no hay forma de hacer más de él. Si hubiera más estrellas, las galaxias acabarían con sus reservas de combustible más rápidamente y brillarían más brevemente antes de pasar a la oscuridad eterna.

Entender cómo las estrellas se forman y porqué son tan difíciles de crear es mucho más que predecir nuestro lejano futuro cósmico. El nacimiento estelar explica de dónde provienen los átomos en nuestros cuerpos y porqué el universo se ve tal como es hoy. Como dice el astrónomo John Bally de la Universidad de Colorado: “La formación estelar es el proceso individual más importante para determinar el destino y evolución de la materia normal en el universo”. Sin embargo, hasta hace poco, los detalles de cómo las estrellas nacen estaban literalmente envueltas en misterio. Las estrellas se forman en densas nubes de gas y polvo que bloquean la luz visible.

Ahora los astrónomos están corriendo el velo con telescopios que detectan la luz infrarroja, la clase de luz central para los sistemas terrestres de visión nocturna. “Ver en luz infrarroja es importante porque la disminución de luz visible desde dentro de una nube polvorienta puede ser enorme”, dice Judy Pipher, un profesor de astronomía observacional y experimental en la Universidad de Rochester en Nueva York. “Esto no es un problema cuando usas una cámara infrarroja porque a esas longitudes de onda más largas la nube será un millón de veces más transparente”.

La imagen de formación estelar que nos brindan los telescopios infrarrojos es una de inesperada violencia, y es esta violencia la clave de entender porqué hay tan pocas estrellas. El nacimiento de una altera la formación de otras cercanas, limitando la tasa a la que el hidrógeno puede ser reunido en estrellas brillantes.

Los esfuerzos por espiar el proceso de nacimiento estelar tuvieron un impulso enorme con el lanzamiento del Telescopio Espacial Spitzer de NASA en 2003. Pipher, considerado por muchos como la madre de la astronomía infrarroja, trabajó por 20 años con los colaboradores William Forrest y Dan Watson para desarrollar los detectores que forman el corazón de este observatorio flotante de 900 kg.

Spitzer no orbita la Tierra sino que nos sigue desde atrás en el espacio, siguiendo la órbita de la Tierra alrededor del Sol a una distancia de unos 90 millones de kilómetros (56 millones de millas). Spitzer fue enviado tan lejos porque sus delicados instrumentos sensibles al infrarrojo deben permanecer a una muy fría temperatura apenas sobre el cero absoluto, y es más fácil mantener esa temperatura al operar lejos del calor que irradia la superficie de nuestro planeta.

Las nuevas visiones de Spitzer de las guarderías estelares como lugares de caos y turbulencia contrastan con los antiguos preconceptos de los astrónomos. En ausencia de visión directa provista por los telescopios infrarrojos, los científicos pasaron la mayor parte del último siglo creando hermosas teorías de nubes de gas individuales colapsando elegantemente bajo su propia gravedad para formar estrellas individuales. El modelo básico de formación estelar fue mapeado por el astrofísico británico Sir James Jeans hace poco más de 100 años. Jeans comenzó con una gran nube de gas interestelar cuyo tirón de gravedad hacia adentro balanceaba perfectamente el empuje hacia afuera de la presión de su propio calor interno. Jeans encontró que este balance era inestable. Con muy poco -por ejemplo la onda de choque de una remanente de supernova- la gravedad ganaría la guerra de tirones y comenzaría el colapso de la nube en sí misma. En el centro de la nube, la materia se apilaría en densidades y temperaturas que (según los científicos notaron luego) eran suficientemente altas para permitir que los átomos de hidrógeno se fusionen para formar helio. Cuando la fusión comenzó, una estrella nació.

La mayor parte del siglo XX se pasó llenando con detalles la historia de Jeans. “Empiezas con estrellas individuales porque son más simples”, dice Héctor Arce, un astrofísico de la Universidad de Yale. “Son una especie de sueño del teórico”. Estos modelos tempranos prestaron escasa atención a la forma en que las estrellas infantes podían influirse mutuamente. “Antes de que pudiéramos entender cómo las vecinas afectan la formación estelar individual”, explica la ex asesora de tesis de Arce, Alyssa Goodman del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, “debemos entender la evolución de las estrellas aisladas. Eso era bastante complicado en sí mismo”.

Durante las décadas de 1980 y 1990, los predecesores menos sofisticados de Spitzer pusieron a los astrónomos en la senda de un modelo más holístico de formación estelar. De imágenes infrarrojas difíciles de adquirir, una historia mucho más compleja que la de Jeans emergió sobre el nacimiento de estrellas y planetas. La formación estelar, según esas imágenes indicaban, es claramente un asunto familiar, con toda la turbulencia, caos y tumulto que implica.

Los astrónomos se dieron cuenta que los discos de gas en rotación siempre se forman alrededor de una nueva estrella, alimentando su materia y sirviendo como una incubadora para el desarrollo de planetas. Los discos se forman por la rotación natural de las nubes de gas originales. Así como una patinadora en el hielo al cerrar sus brazos incrementará la velocidad de su rotación, el gas en la nube colapsante rotará más rápidamente hasta que forma naturalemente un disco en rotación. Si los campos magnéticos interestelares se enredan con la nube, actuarán como correas de transmisión, aprovechando la enorme energía de la rotación del disco para lanzar poderosos chorros de gas a lo largo del eje del disco y de vuelta al espacio.

Estos jets son de una notablemente extensa vida, llevando a 10 años luz o más el entorno de formación estelar. El descubrimiento de estos jets o chorros de materia saliendo de protoestrellas envueltas en polvo a cientos de kilómetros por segundo fue la primera pista para los astrónomos de que la formación estelar era un proceso mucho más caótico de lo que habían imaginado.

Durante las últimas dos décadas, un intenso esfuerzo tanto en la teoría como en la observación permitieron a los astrónomos desarrollar una imagen coherente, consistente de cómo nacieron las estrellas individuales que incluían discos de gas y jets. Pero los investigadores sabían que su historia era muy incompleta porque no tenía en cuenta cómo la formación de una estrella podía afectar a otras. “El problema es que necesitas ver toda la nube donde muchas estrellas se están formando al mismo tiempo. Pero las nubes son densas y se extienden a lo largo de grandes regiones del cielo. Necesitas nuevos instrumentos y debes ser sistemático si realmente quieres entender lo que está pasando”, explica Goodman.

Spitzer fue construído, en parte, para responder a estas necesidades. Con los 85 metros de ojo infrarrojo de Spitzer, los astrónomos pueden ver en lo profundo de las jóvenes guarderías estelares donde las estrellas están comenzando a formarse. Pueden ver discos protoestelares tomando forma y expulsando sus chorros de materia al espacio, y han trabajado para integrar los nuevos datos con los resultados de telescopios ópticos y radiotelescopios (ondas de radio, ondas milimétricas en particular, que pueden penetrar el polvo y gas). Combinando observaciones de radio e infrarrojas, los investigadores como Goodman y Arce crearon imágenes de alta resolución, de varias longitudes de onda, de nubes de formación estelar enteras. Este proyecto, de largo plazo y de varias instituciones, llamado Complete Survey (Sondeo Completo), dio a los astrónomos la visión que necesitaban para estudiar la formación global en un contexto global. Finalmente pudieron mapear la detallada naturaleza de las interacciones entre estrellas infantes y su entorno y un verdadero retrato de formación estelar comenzó a surgir.

“Realmente debes pensar acerca de la formación estelar en una forma de contexto urbano, suburbano y rural. Importa cerca de quién has nacido y también importa qué quieres decir con ‘cerca’”, indicó Goodman.

Las guarderías estelares vienen en variedades de baja y alta masa. En la clase de baja masa, como la Nebulosa de Orión, que está a 1500 años luz de distancia, las estrellas están están empaquetadas juntas como un enjambre de abejas. (En nuestro vecindario de la galaxia, el Sol flota solo en un cubo de unos tres años luz de lado. En un cúmulo de formación de alta masa, miles de estrellas ocupan la misma cantidad de espacio). Más importante es que los cúmulos de alta masa producen estrellas de gran masa, hornos nucleares brillantes con 10 a 100 veces la masa de nuestro Sol. Estos gigantes viven rápido y mueren jóvenes. Nuestro Sol brillará por 10 mil millones de años, pero las estrellas de gran masa tienen suerte de durar 10 millones. “Las estrellas masivas tienen un gran impacto en la formación estelar. Emiten poderosos vientos y un montón de radiación ultravioleta”, agregó Bally. Los vientos y la luz UV aparta el gas circundante, carvando vastas “ampollas” que alteran la nube. Esta agitación puede inhibir la formación de otras estrellas o promocionar el nacimiento en otras regiones.

Sólo en la década pasada los astrónomos entendieron cuán común y significante puede ser la retroalimentación entre estrellas y sus guarderías estelares. “Hay una clase de auto-regulación llevándose a cabo. Las estrellas que se forman pueden cambiar su propio entorno de formación estelar”, indicó Bally. Los Pilares de la Creación, en la Nebulosa del Águila (fotografiada en una de las imágenes más famosas del Telescopio Espacial Hubble) son un claro ejemplo de esta retroalimentación. Como las empinadas rocas que se forman por la erosión del viento en el desierto, los gaseosos pilares en la Nebulosa del Águila han sido moldeados y comprimidos por los vientos estelares y energética luz ultravioleta de las estrellas masivas de la nebulosa. Imágenes de Spitzer de la nebulosa muestran que esta compresión, a su vez, está disparando la formación de nuevas estrellas en los pilares.

El complejo entorno en el que se forma una estrella afecta la creación de planetas también. De hecho, el efecto de estrellas masivas en discos alrededor de estrellas infantes -donde los planetas surgen- pueden ser mortales. “La radiación UV de una estrella masiva ionizará y calentará discos de gas circundantes de cercanas estrellas de baja masa. El gas en los discos se evaporará al espacio. Puede tomar 10 millones de años en formarse un planeta, pero la radiación UV de una estrella masiva puede quemar la parte exterior de un disco en sólo 10.000 años”, señaló Bally. Con su gas mermado, puede ser imposible para los discos alrededor de estrellas en cúmulos masivos formar planetas gigantes como Júpiter o Saturno. Puede todavía ser posible que se forme un mundo como la Tierra cercano a la estrella donde el disco no se alteró, pero el punto permanece en debate.

Las estrellas masivas pueden también causar estragos en la nube al morir. Al final de su vida, una estrella masiva inevitablemente explota como una supernova. Esto vierte cantidades de energía a los alrededores: Una supernova puede brevemente brillar como toda una galaxia. Las supernovas también crear todos los elementos más pesados que el hierro. Con vidas tan cortas, las estrellas masivas mueren cerca de donde nacieron, usualmente en la misma región de formación estelar donde comenzaron.

Algunos astrónomos han argumentado que la formación de nuestro Sol fue disparada por la onda de una explosión estelar cercana. “Hay fuerte evidencia que nuestro propio sistema solar nació cerca de una estrella masiva que fue supernova. Incluso si nuestra formación no fue generada por una supernova, la presencia de productos de ciertos elementos radiactivos apuntan a una supernova quizás alimentando el ya formado sistema solar con elementos enriquecidos”, agregó Bally. Esto implica que nuestra estrella nació cerca del borde de un cúmulo de gran masa, suficientemente cercano para sentir los efectos de una supernova, pero no tan profundamente dentro para que nuestro disco protoplanetario fuera destrozado.

Los estragos de la retroalimentación de la formación estelar no están confinados a los cúmulos de gran masa. Cúmulos de baja masa como NGC 1333 (una nebulosa y guardería estelar a unos 1.000 años luz de distancia) contiene sólo cientos, en vez de miles, de estrellas. Aunque no se forman estrellas masivas en esos cúmulos, las estrellas allí producen jets protoestelares de sus discos y éstos también pueden jugar un rol dramático en dar forma al destino del cúmulo. Imágenes de Spitzer de NGC 1333 y otros cúmulos de baja masa los muestran enredades con elegantes arcos de material que se extienden de un lado a otro de estas guarderías estelares. En los cúmulos de baja masa, la retroalimentación de los chorros de materia pueden jugar el mismo rol disruptivo que los vientos y radiación UV de estrellas masivas en los cúmulos de gran masa. Desafortunadamente, no tenemos todavía suficiente información para decir si la mayoría de las estrellas en la galaxia se formaron en cúmulos de gran masa o de baja masa. Si supiéramos la respuesta, estaríamos más cerca de estimar cuántos sistemas solares como el nuestro existen.

Los efectos combinados de chorros de materia, vientos, radiación y explosiones de supernova muestran que la naturaleza puede hacer valer una especie de planificación familiar celestial. Las estrellas pueden engendrar otras estrellas, pero también pueden impedir el proceso de nacimiento. “Podemos ver los jets de diferentes estrellas interactuando entre sí. Esos flujos pueden bien disparar la formación de nuevas estrellas o dispersar el gas que habría formado parte del proceso de formación”, explica Arce.

El impacto de este control natal estelar es muy debatido todavía, sin embargo. Algunos astrónomos creen que esos procesos internos no son los jugadores claves en inhibir la formación estelar. Ellos dicen que factores externos al cúmulo, como las fuerzas producidas por la rotación de la galaxia, alteran el cúmulo más intensamente y previenen a las estrellas de formarse. Pero imágenes de Spitzer han provisto increíblemente hermosa evidencia para apoyar el caso de los procesos internos. Recientes simulaciones computacionales mostraron cómo cientos de jets pueden actuar como varillas de cóctel hipersónicas revolviendo el gas de un cúmulo en movimientos turbulentos que inhiben a nuevas estrellas de formarse. Y nuevos estudios añadieron peso a la idea de retroalimentación estelar. “Con el Sondeo Completo triplicamos el número de flujos de salida que podemos ver afectando a la nube”, señala Goodman.

Mientras los astrónomos han investigado los mecanimos de retroalimentación que operan en los cúmulos de alta y baja masa, permanece un misterio relacionado con las mayores regiones potenciales de formación estelar. Ambos tipos de cúmulos se forman en complejos mayores de gas y polvo llamados nubes moleculares gigantes. Algunas de estas nubes están dominadas por cúmulos de gran masa, otras por cúmulos de baja masa, y algunas por ambos. Un típico cúmulo se extenderá a través de unos pocos años luz. Su nube parental puede extenderse a lo largo de 300 años luz y contener suficiente materia para crear un millón de estrellas. Pero no se forman un millón de estrellas. En cambio, la formación estelar a lo largo de la nube molecular gigante es más bien un proceso anémico y surgen relativamente pocas guarderías estelares. Sólo 10 porciento de la masa de una nube, en promedio, se convierte a través de colapso gravitacional en estrellas. El resto colapsa y finalmente se dispersa en el tenue medio interestelar a través de la galaxia. ¿Qué es lo que está impidiendo a las vastas nubes de colpasar bajo su propio peso?

Algunos astrónomos creen que la respuesta descansa en los poderosos campos magnéticos que se sabe que envuelven las nubes. Otros piensan que las ondas de choque galácticas impiden a la mayoría del gas de colapsar. Y otros dicen que la retroalimentación que los astrónomos ven operar en los cúmulos de alta y baja masa es suficientemente poderoso para alterar incluso las nubes moleculares.

“Debes preguntar porqué sólo 10 porciento de la nube se convierte en estrellas. Pero sabemos que la formación estelar añade energía al sistema a través de vientos, radiación y chorros de materia. Las ondas de explosión supernova, por supuesto, sólo agrega insulto a la injuria”, dice Bally.

“Si todas estas estrellas crean turbulencia, luego esa turbulencia actúa como una especie de calor que mantiene la nube inflada”, añade Goodman.

El mecanismo que impide a las nubes moleculares gigantes de colapsar -sea cual fuere- tiene mucho que ver con porqué existimos, en primer lugar. Las estrellas son fábricas que convierten elementos livianos en átomos más pesados. Estos átomos incluyen el carbono, oxígeno, nitrógeno y todos los demás elementos que son esenciales para la vida tal como la conocemos. Cuando una estrella muere, este material es repartido al espacio. Cuando generaciones posteriores de estrellas se forman, algo de ese material se solidifica en planetas rocosos como la Tierra. Si las galaxias agotaran rápidamente sus reservas de combustible, creando muchas estrellas de primera generación tempranamente, pocas estrellas con planetas rocosos habrían nacido luego. Las posibilidades para la vida serían peores. La Tierra podría muy bien no existir.

Al buscar guarderías de formación estelar a través de la galaxia, los astrónomos nos han mostrado algo innato y extrañamente familiar sobre el nacimiento de nuestra propia estrella y el planeta. Los psicólogos saben que en familias humanas el rol de los hermanos puede ser tan importante como el de los padres. Gracias al Telescopio Spitzer, lo mismo podría ser dicho de los cielos.

Fuente | Ultimas noticias del cosmos