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domingo, 23 de octubre de 2011

¿Cuántas nebulosas planetarias hay en la Galaxia?

¿Cuántas nebulosas planetarias hay en la Galaxia?
Seguramente todos nos habremos preguntado en alguna noche oscura, cuando miramos absortos al cielo, cuántas estrellas pueden encontrarse arriba en el firmamento. Por más que pueda parecernos difícil hallar una respuesta, la pregunta no deja de tener gran interés. De hecho, una buena parte de la información sobre la estructura de nuestra galaxia, la Vía Láctea (o simplemente la Galaxia), procede del conteo de estrellas. La idea es sencilla: en aquellas direcciones donde hay una mayor densidad superficial de estrellas, podremos afirmar que nuestra galaxia tiene una mayor extensión, mientras que donde hay menos estrellas será menor. Es como mirar a través de un bosque.

Por supuesto, el problema es un poco más complejo. En primer lugar, la Vía Láctea no tiene una estructura sencilla, sino que está compuesta por diferentes brazos espirales que se arremolinan en torno a su núcleo. En segundo lugar, nuestra ubicación en uno de los brazos espirales no facilita el trabajo. Finalmente, pero no menos importante, la Galaxia no es igualmente transparente en todas las direcciones en las que miremos. Grandes cantidades de polvo nos impiden detectar aquellas estrellas que se encuentran a grandes distancias en su plano, el conocido como Camino de Santiago, o hacia su centro, en la constelación de Escorpio. A pesar de todas estas complicaciones, hemos sido capaces de estimar la forma de nuestra galaxia y llegar a determinar el número de estrellas que la componen, en torno a trescientos mil millones de estrellas (un tres seguido de once ceros).

El procedimiento de contar, aunque pueda parecer burdo, es de gran utilidad en astronomía. Tomemos, por ejemplo, una porción de la Vía Láctea y contemos estrellas de diferentes tipos. Llegaremos a la conclusión de que hay muchas más estrellas amarillas y anaranjadas, como nuestro Sol, que azules, es decir, hay muchas más estrellas de tipo solar que estrellas mucho más masivas. Estamos, pues, aprendiendo sobre la distribución de masas de las estrellas, es decir, cuántas estrellas se forman para cada intervalo de masas. Igualmente, si contamos el número de estrellas de cada tipo en dos cúmulos globulares, veremos que la distribución no es la misma. En el cúmulo más viejo, las estrellas más azules se hallan en menor número, han desaparecido. En este caso, estamos aprendiendo que las estrellas más masivas evolucionan más rápidamente que las menos masivas.

¿Cómo acabará el Sol?

Una de las afirmaciones “clásicas” de la astronomía actual asegura que el Sol acabará su existencia como una nebulosa planetaria, una burbuja de material ionizado altamente enrarecido que rodeará lo que fuera el núcleo estelar por un corto periodo de tiempo, no mucho más de treinta mil años, antes de disiparse en el medio interestelar. En realidad, los modelos teóricos afirman que todas las estrellas con una masa inicial de entre 0,8 y ocho veces la masa del Sol acabarán en forma de nebulosa planetaria. Bueno, eso es lo que afirman los modelos, pero no hay observación posible que nos permita determinar los límites exactos de la masa inicial de las estrellas que se convertirán en nebulosa planetaria.

Es entonces cuando contar puede ayudarnos. Si todas las estrellas dentro de un cierto rango se convirtieran en nebulosas planetarias, como creemos ahora, entonces a partir del número de estrellas y del tiempo que les lleva su evolución será posible inferir cuántas nebulosas planetarias se forman por intervalo de tiempo. Entonces, conocido el tiempo que tarda una nebulosa planetaria en disiparse en el medio interestelar, podremos determinar cuántas nebulosas planetarias deben existir en nuestra galaxia. Por supuesto, hay muchas incertidumbres en los modelos de evolución estelar, la población de estrellas y la vida media de una nebulosa planetaria, pero considerando todos ellos los modelos predicen que habríamos de esperar un número de nebulosas planetarias de entre 33.000 y 60.000. ¿Está este número en acuerdo con las observaciones?

Lo cierto es que hay grandes discrepancias. El número de nebulosas planetarias que se conocía hace unos años en la Vía Láctea era de unas 2.500, muy lejos de las estimaciones teóricas incluso cuando se hacen correcciones al alza para incluir aquellas que no detectamos para llegar hasta las 8.000 nebulosas planetarias. O bien hay aspectos básicos en la evolución estelar y formación de las nebulosas planetarias que no entendemos correctamente, o bien hay una población significativa de nebulosas planetarias que no hemos hallado aún.

Buscando las que faltan

Dada esta extraordinaria discrepancia, se ha sugerido que la formación de una nebulosa planetaria se produce solo cuando la estrella progenitora forma parte de un sistema binario. Solo así, se afirma, sería posible que la estrella progenitora, con el tirón gravitatorio adicional de la compañera, pueda deshacerse de su envoltura en una escala de tiempo lo suficientemente corta que permita que la estrella alcance la temperatura superficial adecuada para ionizar el material circundante antes de que este se disipe en el medio interestelar. ¿Será entonces posible que nuestro Sol no llegue a convertirse nunca en nebulosa planetaria?

Antes de llegar a esta conclusión hemos de continuar la búsqueda de nuevas nebulosas planetarias, estar seguros de que las hemos detectado todas o, al menos, que sabemos cómo corregir el número de objetos que se han detectado con el cálculo de los que no lo han sido. En los últimos años se han llevado a cabo grandes esfuerzos observacionales en busca de nuevas nebulosas planetarias. El primero de ellos, liderado por Quentin Parker (Macquarie University, Australia), se conoce como MASH (del inglés Macquarie/AAO/Strasbourg H-alpha Catalogue of Galactic PNe). Este trabajo ha usado datos del catálogo en H-alfa del Anglo-Australian Observatory UK Schmidt Telescope (AAO/UKST) para descubrir en torno a mil doscientas cincuenta nuevas nebulosas planetarias. Por tanto, por sí solo MASH ha aumentado en un 75% la población de nebulosas planetarias de la Galaxia. Pero MASH no solo ha proporcionado el mayor incremento en el número de nebulosas planetarias sino que, dado que todas las observaciones fueron llevadas a cabo con la misma instrumentación, la muestra tiene una gran homogeneidad, lo que confiere gran valor a los estudios estadísticos que de ella puedan derivarse. Y, tal vez lo que es más importante, todas estas nuevas detecciones han sido seguidas por un intenso programa de observaciones espectroscópicas que han confirmado la naturaleza de las fuentes y, en un cierto número de casos, han excluido el objeto en cuestión al tratarse de regiones H II compactas, estrellas simbióticas, estrellas con líneas de emisión, estrellas masivas evolucionadas de tipo Wolf-Rayet, restos de supernovas o incluso galaxias cuyas morfologías pueden asemejarse a las de nebulosas planetarias.

En el hemisferio norte también se han desarrollado esfuerzos en este sentido. El primero que debemos mencionar ha sido liderado por George Jacoby (WIYN Observatory, EEUU) y ha estado centrado en la búsqueda de elusivas nebulosas planetarias extensas de muy bajo brillo superficial. Para este trabajo, el investigador ha “reclutado” a un grupo de voluntariosos astrónomos aficionados que, tras repartirse diferentes áreas del cielo, han analizado minuciosamente las placas fotográficas del Digital Sky Survey. El resultado ha sido sorprendente: decenas de nuevas nebulosas planetarias que habían pasado anteriormente inadvertidas. Los astrónomos aficionados no han trabajado en balde. Muchos de estos objetos, como el que se muestra en la página 2, se conocen ahora por el nombre de sus descubridores. Como se suele decir, el trabajo duro tiene su recompensa…

Peinando hemisferio norte

A pesar de estos progresos, faltaba una aportación similar a la de MASH en los cielos del hemisferio norte. Esta ha sido realizada por IPHAS (del inglés Isaac Newton Photometric H-alfa, r, i survey of the Northern Galactic Plane), un proyecto liderado por Romano Corradi (Instituto de Astrofísica de Canarias), en coordinación con Quentin Parker, que ha usado observaciones obtenidas con la cámara de amplio campo del Telescopio Isaac Newton del Observatorio del Roque de los Muchachos (La Palma, Tenerife). Mediante la comparación de imágenes en filtros anchos (r, i) y estrecho de H-alfa, este trabajo ha posibilitado la identificación de más de mil candidatos a nebulosa planetaria; algunas de ellas tan espectaculares como la Nebulosa del Collar.

Las características de IPHAS son, en muchos sentidos, similares a las de MASH, del que puede considerarse un perfecto seguimiento para el hemisferio norte. Sin embargo, no existe un seguimiento espectroscópico sistemático de estos candidatos que nos permita confirmar su naturaleza de nebulosa planetaria. Con tal fin, se ha iniciado un programa piloto de confirmación espectroscópica de la muestra de candidatos IPHAS usando el espectrógrafo ALBIREO en el telescopio de 1,5 metros del Observatorio de Sierra Nevada en colaboración con Parker y Corradi. Si los resultados son satisfactorios, como esperamos, el proyecto se extenderá durante años hasta observar todos aquellos candidatos con brillo superficial suficientemente alto para ser observados con esta configuración instrumental.

Será un largo camino que esperamos conduzca a un número significativo de publicaciones y producción científica. Por lo pronto, podremos refinar la muestra de nebulosas planetarias de IPHAS y los espectros obtenidos nos permitirán determinar con gran precisión los flujos en diferentes líneas de emisión, lo que revelará propiedades básicas como la excitación nebular (que se encuentra relacionada con la temperatura superficial de la estrella), la densidad y temperatura del gas nebular, la extinción hasta el objeto y su composición química. También esperamos encontrar objetos exóticos, en absoluto relacionados con las nebulosas planetarias, pero que serán interesantes por sí mismos.

Volviendo al inicio, este trabajo nos servirá para seguir contando objetos, separando el grano de la paja. Sabremos con mayor precisión cuál es la densidad espacial de nebulosas planetarias en nuestra galaxia, cómo se distribuyen en ella y cuál es su población total. Estos resultados son importantísimos para conocer la influencia de las estrellas progenitoras de nebulosas planetarias en la evolución química de las galaxias, al contribuir al enriquecimiento del medio interestelar. Y tal vez lleguemos a entender la evolución de estas estrellas y la formación de las nebulosas planetarias lo suficientemente bien para que, cuando alguien nos pregunte cómo acabará el Sol, sepamos dar una respuesta acertada.

Martín A. Guerrero Roncel | Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC)

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