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 (en la Constelación del Escultor – Sculptor), la cual, 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 típicas variables 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. En unos 5.000 millones de años más, nuestra estrella, el Sol, se convertirá en este tipo de estrella AGB.
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 una imagen directa de las zonas de condensación del polvo y de la estructura del material que hay alrededor de las estrellas AGB, mostrando detalles más pequeños que 0,1 segundos de arco.
El telescopio espacial Hubble (NASA/ESA) en sus observaciones de la estrella LL Pegasi ha detectado una espiral similar, pero no su envoltura. Mediante las nuevas observaciones de ALMA, estos datos permitieron estudiar la estructura en una completa forma tridimensional. Las observaciones del telescopio espacial Hubble detectaron el polvo y ALMA la emisión molecular.
Esto significa la probabilidad de que existiera una estrella gigante roja, compañera nunca vista orbitando alrededor de R.Sculptoris. Los astrónomos se sorprendieron al descubrir que la gigante roja ha eyectado mucho más material del esperado.
Las binarias ocultas también se han sugerido como explicación para las extrañas formas observadas en objetos relacionados, por ejemplo en las nebulosas 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.
“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 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 superiores a 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 del 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 que duran solo unos pocos cientos de años, tienen lugar aproximadamente entre 10.000 a 50.000 años. Las nuevas observaciones de R Sculptoris muestran que sufrió un pulso térmico hace unos 1.800 años y que duró alrededor de 200 años. La estrella compañera dio una forma de estructura en espiral a los vientos de R Sculptoris.
“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. Estos modelos encajan muy bien con las observaciones de ALMA. 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.
"Es un verdadero reto describir teóricamente todos los detalles observados por ALMA, pero nuestros modelos muestran que vamos por el buen camino. ALMA nos dá 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 dara pistas de cómo será el futuro lejano de nuestra propia estrella” concluye Matthias Maercker.
Esta investigación ha sido presentada en el artículo "Unexpectedly large mass loss during the thermal pulse cycle of the red giant star R Sculptoris” [“Inesperada gran pérdida de masa durante el ciclo de pulso térmico de la estrella gigante roja R Sculptor“], por M. Maercker et al. que aparecerá en la revista Nature.
Fuente: ESO /ALMA – crédito de la imagen ALMA/ESO
El equipo investigador esta 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), y del Observatorio Conjunto ALMA, Chile Gregorio-Monsalvo y L. A. Nyman .
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