El instrumento FLAMES del Telescopio Muy Grande de ESO descubre indicios de las estrellas más ricas en helio conocidas hasta ahora.

Sobre la base de espectros estelares que totalizan más de 200 horas de tiempo efectivo de exposición con la Unidad Telescopio Kueyen de 8,2 metros del Telescopio Muy Grande (VLT = Very Large Telescope) de ESO en Paranal, Chile, un equipo de astrónomos ha realizado un sorprendente descubrimiento sobre las estrellas que se encuentran en el gigantesco cúmulo globular austral de Omega Centauri.

VLT (Very Large Telescope) de ESO en Paranal, Chile. Crédito: ESO / Paranal

Por algún tiempo se ha sabido que, contrariamente a las otras agrupaciones estelares de este tipo, este cúmulo globular alberga dos poblaciones diferentes de estrellas que continúan quemando hidrógeno en sus centros. Una de estas poblaciones, que representa aproximadamente un cuarto del total, es más azul que la otra.

Utilizando el espectrógrafo multi-objeto FLAMES (que está particularmente bien equipado para esta clase de trabajo), los astrónomos encontraron que las estrellas más azules contienen más elementos pesados que aquellas de la población más roja. Esto era exactamente lo opuesto a lo esperado y fueron así llevados a la conclusión de que las estrellas más azules tienen una súper-abundancia de más del 50% del elemento helio. Son, de hecho, las estrellas más ricas en helio jamás encontradas. Pero, ¿por qué es así?.

El equipo sugiere que este rompecabezas puede ser explicado de la siguiente manera. Primero, tuvo lugar un gran estallido de formación estelar, durante el cual se produjeron todas las estrellas de la población roja. Como otras estrellas normales, estas estrellas transformaron su hidrógeno en helio por fusión nuclear. Algunas de ellas, con masas de entre 10 a 12 veces la del Sol, estallaron poco después como supernovas, enriqueciendo así con helio el medio interestelar del cúmulo globular. Luego, las estrellas de la población azul se formaron a partir de este medio rico en helio.

Este inesperado descubrimiento proporciona nuevas e importantes ideas sobre la forma en que nacen las estrellas en los grandes sistemas estelares.

Dos poblaciones

Imagen ESO PR 08a/05: El cúmulo globular de Omega Centauri y el área inspeccionada.

La imagen ESO PR 08a/05 muestra dos fotografías.

Una de ellas (a la izquierda) es una imagen del cúmulo globular Omega Centauri obtenida por Digital Sky Survey (Inspección Digital del Cielo). La misma cubre una región de 2,1 x 1,1 grados del cielo, ilustrando la gran extensión de este cúmulo estelar.

La fotografía de la derecha es una exposición ACS tomada con el Telescopio Espacial Hubble que fue utilizada por los astrónomos para detectar y estudiar las dos diferentes poblaciones de las estrellas que consumen hidrógeno en sus núcleos.

La posición del campo ACS con respecto a la totalidad del cúmulo globular se muestra aquí como una caja roja. Se eligió este campo de forma que quedara en las zonas exteriores del cúmulo a los efectos de asegurar que no habría problemas de “amontonamiento” y que solamente habría una estrella en cada fibra del instrumento FLAMES/VLT.

La imagen ESO PR 08b/05 nos muestra las dos poblaciones diferentes de estrellas que están presentes en el cúmulo globular Omega Centauri, reconocibles en este diagrama color-brillo que está basado en los datos obtenidos a través de la imagen del Telescopio Espacial Hubble que se ve en la fotografía ESO PR 08a/05 (más arriba). Las estrellas coloreadas en rojo y azul son aquellas de las cuales se obtuvo su espectro con el VLT.

Imagen ESO PR 08b/05: La doble secuencia principal de Omega Centauri.

Los cúmulos globulares son grandes agrupaciones estelares, algunas de las cuales contienen cientos de miles de estrellas. En general, se cree que todas las estrellas pertenecientes a un mismo cúmulo globular nacieron juntas, a partir de la misma nube interestelar y en el mismo momento. Extrañamente, sin embargo, este no parece ser el caso para el cúmulo globular austral de Omega Centauri.

Omega Centauri es el cúmulo globular galáctico con la población estelar más compleja. Su enorme masa puede representar un tipo de objeto intermedio entre los cúmulos globulares y otros sistemas estelares más grandes, tales como las galaxias. En este sentido, Omega Centauri es un “laboratorio” muy útil para comprender mejor la historia de la formación estelar.

Sin embargo, da la impresión de que cuanta más información adquieren los astrónomos sobre las estrellas del cúmulo, menos parecen entender sobre el origen de las mismas.

Pero ahora, nuevos e intrigantes resultados obtenidos con el Telescopio Muy Grande (VLT = Very Large Telescope) de ESO en Paranal, Chile, pueden mostrar una posible forma de explicar los aparentemente contradictorios resultados actuales.

El año pasado, un equipo internacional de astrónomos (1), utilizando datos del Telescopio Espacial Hubble (>b>HST = Hubble Space Telescope), demostró que Omega Centauri, a diferencia de todos los otros cúmulos globulares, posee dos poblaciones diferentes de estrellas que aún mantienen la combustión de hidrógeno en sus núcleos.

Aún más desconcertante fue el descubrimiento de que la población más azulada era más escasa que la población más roja; representaba solamente un cuarto del total de las estrellas que mantenían la fusión del hidrógeno en sus centros. Ésto es exactamente lo opuesto a lo que los astrónomos esperaban, basados en la observación de las estrellas más evolucionadas de este cúmulo.

Más de dos semanas de tiempo total de exposición.

Imagen ESO PR 08c/05: Espectro promedio de las estrellas de las poblaciones roja y azul.

La imagen ESO PR 08c/05 presenta los espectros promedio de las poblaciones estelares roja y azul del cúmulo estelar Omega Centauri.

Cada espectro representa un promedio de espectros de 17 estrellas individuales y un total de 204 horas de tiempo de exposición con el instrumento FLAMES del Telescopio Muy Grande. Se indican las líneas espectrales de algunos elementos.

Las diferencias entre los dos espectros son fácilmente distinguibles: un análisis detallado muestra que los espectros “azules” corresponden a un contenido mayor de elementos pesados que el de los espectros “rojos”.

El mismo equipo de astrónomos pasó luego a observar algunas de las estrellas de las dos poblaciones de este cúmulo con el instrumento FLAMES del Telescopio Muy Grande en Paranal. Lo utilizaron en el modo MEDUSA, que permite obtener simultáneamente no menos de 130 espectros.

Se obtuvieron doce espectros de una hora para 17 estrellas de la población azul y para el mismo número de estrellas de la población roja. Estas estrellas tienen magnitudes de entre 20 y 21, es decir, son entre 500 000 y un millón de veces más tenues que lo que podemos ver a simple vista.

Luego, se conjuntaron los espectros individuales de cada población. Esto produjo un espectro “medio” de la población azul y otro de la población roja. Cada uno de estos espectros representa un total de no menos de 204 horas de exposición y proporciona así una información con detalles inigualados sobre estas estrellas, especialmente en términos de su composición química.

El resultado científico es comparable al logro técnico.

A partir de un estudio cuidadoso de los espectros combinados, los astrónomos pudieron establecer que, contrariamente a todas las expectativas anteriores, las estrellas azules son más ricas en metales (por un factor de dos) que las rojas. “Se descubrió que estas últimas tienen una abundancia de elementos más pesados que el helio correspondiente a 1/40 de la abundancia solar (2)”, explica Raffaele Gratton del INAF - Observatorio Astronómico de Padua, Italia. “De hecho, esto resulta muy intrigante, puesto que los modelos estelares actuales predicen que cuanto más rica en metales es una estrella, más rojiza deberá ser”.

Giampaolo Piotto (Universidad de Padua, Italia), líder del equipo, piensa que hay una solución para este rompecabezas celestial. “La única manera de que podamos explicar esta discrepancia es asumiendo que las dos poblaciones de estrellas tienen una abundancia diferente de helio. Hallamos que mientras que las estrellas rojas tienen una abundancia normal de helio, las estrellas azules deben estar enriquecidas en helio en más de un 50% con respecto a la otra población”.

Por lo tanto, estas estrellas son las más ricas en helio jamás encontradas, y en un porcentaje no menor. A la Vía Láctea le llevó unos 8 mil millones de años para aumentar su abundancia de helio desde su valor primordial del 24%. (creado por el Big Bang) hasta su presente valor solar del 28%, y sin embargo en un cúmulo globular que se formó hace apenas uno o dos mil millones de años después del Big Bang, las estrellas fueron producidas con un 39% de helio.

Contaminación de supernovas.

Imagen ESO PR 08d/05: El escenario supernova.

La imagen ESO PR 08d/05 muestra el posible escenario que puede explicar la producción de dos poblaciones estelares diferentes en Omega Centauri.

Ahora, la pregunta obvia es: ¿de dónde proviene todo este helio”.

Luigi Bedin (ESO), otro miembro del equipo, sugiere que la solución podría estar conectada con las supernovas.

“El escenario que actualmente favorecemos es uno en que el alto contenido de helio se origina en el material eyectado durante las explosiones supernova de las estrellas masivas. Es posible que la masa total de Omega Centauri fuera precisamente la necesaria como para permitir que escapara el material expelido por las supernovas más masivas, mientras que la materia proveniente de las explosiones de las estrellas con 10 a 12 masas solares era retenida”.

Por lo tanto, y de acuerdo con este escenario, Omega Centauri debió presenciar dos generaciones de estrellas.

La primera generación, con abundancia de helio primordial, produjo las estrellas más rojizas.

Unos pocos millones de años después, las estrellas más masivas de la primera generación estallaron como supernovas. La materia rica en helio que fue expelida durante las explosiones de las estrellas con 10o 12 veces la masa del Sol “contaminó” el cúmulo globular. Luego, a partir de este gas rico en helio, se formó una segunda población de estrellas, las más “azuladas”.

Los científicos reconocen que todavía permanecen ciertos problemas, y que es posible que todavía no haya sido dicha la última palabra sobre este cúmulo globular inusual. Pero los nuevos resultados constituyen un paso importante hacia la solución del mayor misterio de todos: ¿por qué es Omega Centauri el único entre todos los cúmulos globulares que pudo producir estrellas súper-ricas en helio?.

Más información.

La investigación presentada aquí apareció en el número del 10 de marzo de 2005 del Astrophysical Journal, Vol. 621, p. 777: “Metallicities on the Double Main Sequence of Omega Centauri Imply Large Helium Enhancement” (“Las metalicidades en la doble secuencia principal de Omega Centauri implican un gran enriquecimiento de helio”) por G. Piotto et al., y está disponible en astro-ph/0412016 .

NOTAS:

1).- El equipo está integrado por Giampaolo Piotto, Giovanni Carraro, Sandro Villanova y Yazan Momany (Universidad de Padua, Italia), Luigi R. Bedin (ESO, Garching), Raffaele Gratton y Sara Lucatello (INAF - Observatorio Astronómico de Padua, Italia), Santi Cassisi (INAF - Observatorio Astronómico de Teramo, Italia), Alejandra Recio-Blanco (Observatorio de Niza, Francia), Ivan R. King (Universidad de Washington, EE.UU.), y Jay Anderson (Universidad Rice, EE.UU.).

2).- El helio es el segundo elemento más abundante del universo, luego del hidrógeno. El Sol contiene aproximadamente un 70% de hidrógeno y un 28% de helio. El resto, aproximadamente un 2%, está hecho de elementos más pesados que el helio. Entre los astrónomos, comúnmente se los denomina “metales”.

Telescopio Espacial Hubble. Crédito: NASA / ESA

Agradecemos a ImageShack por su repositorio gratuito de imágenes. - HRB

Enlace con el artículo original en inglés

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Web Site: ESO Press Release
Artículo: “A Tale of Two Populations”
Fecha: Marzo 15, 2005

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Para Astroseti.org: Heber Rizzo Baladán

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