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Como algunos seguramente sabréis ya, el telescopio espacial James Webb ha obtenido una imagen de los anillos que rodean una estrella de Wolf-Rayet muchísimo mejor que las que teníamos hasta ahora. Pero, aunque ya lo supierais, voy a hablar sobre ello de todos modos por una razon importantísima: me apetece. Así, a lo tonto, hablamos sobre astrofísica, sobre Wolf, Rayet, la estrella en cuestión y lo mismo hasta de la naftalina.
WR 140 (NASA).
Las estrellas de Wolf-Rayet son un tipo muy especial de astro. En el criterio de tipos espectrales OBAFGKM se les asigna el tipo WR, pero en este caso no se trata tanto de una clasificación por temperatura superficial como por el tipo de espectro de radiación que emiten. Por temperatura serían estrellas B u O.
En 1867 dos astrónomos franceses, Charles Wolf y Georges Rayet, estaban observando estrellas en la constelación del Cisne cuando descubrieron tres realmente inusuales, en las que no se reconocía el espectro típico de emisión de cualquier estrella. Por entonces se conocía ya la espectrografía, es decir, el estudio del espectro de emisión o absorción de un objeto para determinar los elementos químicos presentes en él. Usándolo era posible conocer la composición de cosas situadas lejísimos –como el Sol u otras estrellas– simplemente analizando su luz.
En cualquier estrella normal, la mayor parte de la radiación emitida coincidía con la huella dactilar espectral del hidrógeno, porque es el elemento más abundante, y el que suele haber en la superficie. Pero esto no sucedía en las estrellas descubiertas por Wolf y Rayet. En la revista de la Académie des sciences, en 1867, afirmaban:
Las tres presentan una serie de líneas brillantes. La identificación de las líneas luminosas de estas estrellas con las del espectro de los gases incandescentes nos era imposible. No aparecen allí ni las líneas de hidrógeno ni las de nitrógeno.
Charles Wolf (1827-1918) y Georges Rayet (1839-1906).
Rayet y Wolf malamente podrían haber descubierto a qué elemento se debía la peculiar radiación emitida por esas tres estrellas, ¡porque no se había descubierto todavía! Irónicamente, un año después de que vislumbrasen estos tres extraños astros –que hoy en día están clasificados como WR 134, WR 135 y WR 137– se descubrió un nuevo elemento químico en el espectro de emisión de nuestro Sol: el helio. Y eso era exactamente lo que aparecía, de manera dominante, en las tres estrellas descubiertas por los dos franceses.
La diferencia es que en la radiación emitida por nuestra estrella casi toda la energía procede de hidrógeno muy caliente, y la emitida por el helio superficial supone una fracción minúscula –porque apenas hay nada en la superficie del Sol–. Pero en las estrellas de Wolf-Rayet, que así se terminaron llamando en honor a los dos descubridores, apenas hay hidrógeno, y las tres originales tenían fundamentalmente espectros de emisión correspondientes al helio.
WR 124 (ESA/Hubble/CC BY 4.0). Versión grande.
Posteriormente fueron descubriéndose más, y resultó que otras presentaban espectros en los que dominaba el carbono, y en otras el oxígeno. Pero todas tienen en común –y eso es lo que las hace únicas– que el hidrógeno está ausente, o su contribución al espectro de emisión de la estrella es minúsculo. No es que no exista hidrógeno en ellas, porque sigue habiéndolo, pero apenas en la superficie, y eso es lo peculiar.
Pensamos que este tipo de estrellas se forman a menudo cerca del final de la vida de supergigantes rojas o azules, o a veces de estrellas de la secuencia principal particularmente grandes. Aunque todavía estamos aprendiendo sobre ellas, creemos que su comportamiento se debe a que en las convulsiones del tipo que describí al hablar de las gigantes rojas, enormes capas superficiales de la estrella han sido expelidas al espacio, revelando lo que hay debajo: helio, acompañado a menudo de carbono u oxígeno, a temperaturas enormes.
WR 124 (ESO/CC BY 4.0). Versión grande.
Por eso, aunque las estrellas de Wolf-Rayet no se definan por su temperatura superficial –hay estrellas de tipo O más calientes–, y las más frías de ellas puedan tener una superficie a tan solo 20 000 grados, lo que sí es cierto es que todas las estrellas más calientes que conocemos son de Wolf-Rayet. Son siempre estrellas muy masivas y en parte me recuerdan a lo que sucede al partir un ascua cuya superficie se ha enfriado: al desprenderse de la superficie más fría se expone al aire el interior, que está calentísimo. Algo así les ha sucedido a estos astros maravillosos.
Si recuerdas todo lo que aprendiste en La vida privada de las estrellas tendrás muy claro que las estrellas WR no duran mucho tiempo. Por un lado son muy masivas, luego la fusión se produce a un ritmo endemoniado. Y, por otro, para que exista una estrella de este tipo es necesario que haya empezado ya, básicamente, la agonía de la estrella, porque el desprendimiento de las capas exteriores se produce cuando la fusión del hidrógeno en el núcleo ha dejado de mantener el equilibrio hidrostático.
Por lo tanto, como las estrellas con la masa suficiente como para producir una de estas son rarísimas, y además incluso las que se convierten en una WR duran en ese estado poco tiempo, hay un número absolutamente ínfimo de estrellas de Wolf-Rayet. En nuestra Vía Láctea hemos observado tan solo unas quinientas. Casi todas, dada su naturaleza, se desprenden de capas externas de manera periódica: al principio de hidrógeno, y luego también de otros elementos como carbono, helio u oxígeno.
Visión artística del James Webb Space Telescope (GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutiérrez). Versión grande.
Y el telescopio espacial James Webb ha obtenido una maravillosa imagen de una estrella de Wolf-Rayet realmente especial situada en la Constelación del Cisne, a unos 5 600 años luz de nosotros, cuyo imaginativo nombre es WR 140. Lo que hace especial a esta estrella –además de pertenecer ya a una categoría muy escogida– es el conjunto de anillos gigantescos de polvo que la rodean.
Se trata de anillos de polvo que el James Webb ha observado con su detector MIRI (Mid-Infrared Instrument) de infrarrojos y que se alejan de WR 140 a millones de kilómetros por hora. Entre la expulsión de un anillo y el siguiente pasan, dada la distancia entre ellos y esa velocidad, unos ocho años. Si te fijas en el número de anillos visibles en la foto, estamos viendo el resultado de siglo y medio de convulsiones estelares. Tampoco olvides, por supuesto, que lo que estamos viendo sucedió hace cinco mil años, aunque ese tiempo a escala estelar –incluso para estrellas tan fugaces como estas– es muy pequeño y la situación allí es ahora, probablemente, muy parecida.
El detector MIRI del James Webb (NASA).
Que las estrellas de Wolf-Rayet expulsen gas y polvo es normal: a eso se debe en parte su existencia como tales. Algunas de ellas, cuando tienen una compañera, emiten una especie de espiral de polvo cuando la materia emitida por cada una de las dos estrellas interacciona. Pero no conocemos ninguna –ni una sola– estrella que emita una serie de anillos ni siquiera redondos completamente sino con esta forma algo angular. Y no estamos aún seguros de por qué: podría tener que ver con el período con el que WR 140 se desprende de materia, por ejemplo.
Pero la razón de esta situación tan inusual, según pensamos –porque aún saldrán papers sobre esto a diestro y siniestro– es doble. Por una parte, WR 140 no está sola. Tiene una compañera también de una masa brutal, una estrella O4 que brilla bastante más que ella porque tiene mayor superficie. Pero esto no es realmente especial: los sistemas binarios son muy comunes, y muchas otras estrellas WR tienen compañeras menos especiales que ellas y, como decía, emiten espirales de gas y polvo.
Pero estas dos gargantúas cósmicas orbitan alrededor de su centro de masa común en un baile que dura unos ocho años: ¡ocho años, el tiempo entre anillos! Podría ser una casualidad, pero seguramente no lo es. Además, las peculiares órbitas de estos monstruos nos pueden dar una explicación bastante plausible de lo que está sucediendo.
Órbitas de WR 140 y su compañera (NASA).
Su distancia mutua varía muchísimo. En el punto en el que están más alejadas llegan a distar unas 24 Unidades Astronómicas (es decir, 24 veces la distancia media Tierra-Sol), mientras que en el más cercano se aproximan hasta casi la distancia Tierra-Sol, ¡un 4% de la distancia anterior! Es decir, no se trata de órbitas más o menos tranquilas, con distancias y velocidades constantes, sino un tanto convulsas. Y pensamos que cada “latigazo” según se acercan y se vuelven a alejar es justo lo que produce estos anillos: la combinación de la materia expulsada por WR 140 con el viento estelar de su compañera crea estos anillos gigantescos y maravillosos.
En ellos el James Webb ha detectado no solo átomos sueltos, sino también moléculas: WR 140 expulsa varios elementos diferentes, y según se alejan de la estrella su temperatura disminuye hasta permitir esto. Además, dado que los elementos más comunes en el polvo emitido son carbono, hidrógeno y oxígeno, muchas de las moléculas que allí existen son moléculas orgánicas. No hemos detectado moléculas extraordinariamente complejas, lógicamente, pero sí hidrocarburos aromáticos policíclicos, que tal vez conozcas si en tu casa (al menos de niño) se utilizaba la naftalina para proteger la ropa de las polillas: son compuestos volátiles, que huelen bastante en general –si has olido naftalina, según lees esto la estás oliendo en tu cabeza seguro– y cuyo representante más simple es perecisamente el naftaleno o naftalina.
Naftaleno (C10H8).
Además de su composición, también es interesante la forma geométrica de los anillos: no son redondos, sino algo angulares. Para intentar explicarlo, los astrofísicos han realizado simulaciones con distintos modelos y posibles efectos. Esta forma peculiar puede tener que ver con la enorme presión de la radiación emitida por las dos estrellas, que no es simétrica debido a lo extremo del alargamiento de sus órbitas.
No lo sé, ni sé cuándo estaremos seguros, y estoy convencido de que mentes más sabias que la mía sabrán analizar mucho mejor que yo las conclusiones de todo esto: pero lo que sí sé es que me llevo para la saca un fondo de pantalla único. Y espero que, igual que las imágenes maravillosas del Hubble fueron una inspiración para mi generación, las del James Webb lo sean para la actual. Para mí lo siguen siendo como si fuera un niño.
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