Eta Carinae: Observar el interior de una estrella, por primera vez

En un pequeño telescopio instalado en la cima de una montaña cubierta por bananos, entre los municipios de Brazópolis y Piranguçu, en el sur de Minas Gerais, provincia de Brasil, un grupo de científicos estudia un fenómeno astronómico inédito cuyo apogeo se producirá durante los próximos días: la apertura de un agujero en la superficie de una estrella gigante conocida como Eta Carinae, que permitirá develar los secretos de su interior.

Durante los próximos meses, se compararán los datos de las observaciones con los modelos teóricos existentes y así se podrá validar o cuestionar todo el conocimiento científico sobre la estructura de las grandes estrellas, según Augusto Damineli, docente del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la Universidad de São Paulo (USP) y coordinador del grupo internacional integrado por 30 científicos y astrónomos amateurs, seis de ellos brasileños.

“Los hallazgos tendrán reflejos indirectos en el conocimiento sobre todas las estrellas con más de diez masas solares, ya que las mismas tienen estructuras homólogas. En tanto, las pequeñas, tales como nuestro Sol, son muy diferentes. Pero puede ocurrir que encontremos algo tan grave que altere incluso la teoría sobre la estructura de las pequeñas estrellas”, declaró Damineli a Agência FAPESP. Este científico se dedica hace más de 20 años a estudiar los misterios de esa “beldad”, tal como le dice cariñosamente a la estrella, con el apoyo de la FAPESP.

Situada en la constelación de Carina, a casi 8 mil años luz de la Tierra, una distancia que en parámetros astronómicos se considera “aquí al lado”, Eta Carinae es una estrella fuera de lo común. Su diámetro, con un tamaño equivalente a 90 masas solares, puede compararse con la distancia que recorre la Tierra alrededor del Sol. Su potencia luminosa es una de las más altas que el hombre conozca: alrededor de 5 millones de soles.

“Las estrellas gigantes eran comunes cuando el Universo era joven y había materia prima abundante; pero a medida que se fueron formando, los gases quedaron capturados. Estas estrellas tienen vida corta: alrededor de 3 millones de años, en tanto que el Sol puede llegar a 10 mil millones de años, y las estrellas de una décima de la masa solar, a 1 billón de años. Por ende, la mayoría de las gigantes estelares explotaron enseguida, en los inicios del universo. Eta Carinae es un dinosaurio y tenemos la suerte de tenerlo en nuestro patio. Es posible estudiar el pasado al observarla”, afirmó Damineli.

El descubrimiento del sistema binario

Desde el comienzo de su actividad en el IAG-USP, a finales de la década de 1980, el astrónomo se sintió instigado por algunos fenómenos extraños que habían sido descritos en Eta Carinae en los años 1948 y 1960. Entonces decidió dedicar un tiempo a la observación de la estrella cada vez que fuese a un observatorio.

“Mi hipótesis apuntaba que cuanto mayor fuese la energía de una estrella, mayor sería la emisión de luz en el espectro ultravioleta. Pero no es posible observar las emisiones de la Tierra en el ultravioleta, pues son degradadas en otras longitudes de onda por la atmósfera de la estrella y también por la atmósfera terrestre. Entonces me concentré en el canal de helio”, comentó Damineli.

El canal o línea espectral de helio no es otra cosa que la luz ultravioleta que absorben los iones de helio existentes en el interior de la estrella y que emiten nuevamente en una longitud de onda mayor, bajo la forma de luz visible, capaz de atravesar la atmósfera estelar y la atmósfera terrestre, y llegar con intensidad lo suficientemente fuerte como para que se la capte con el telescopio Perkin-Elmer de tan sólo 1,6 m de diámetro del Observatorio de Pico dos Dias, administrado por el Laboratorio Nacional de Astrofísica (LNA), en Minas Gerais.

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Telescopio Perkin-Elmer, de 1,6 m de diámetro, el principal aparato del OPD/ LNA (foto: Leandro Negro/ Agência FAPESP

“Es una estrella tan despampanante que sería imposible observar todo lo que emite, no habría tiempo. Me concentré en el canal de helio, pues sabía que cualquier evento de gran energía sería captado por mi satélite artificial de pobre. Y fue así en 1989, 1990 y 1991. Pero en junio de 1992, ese canal empezó a apagar alrededor de 60 soles por noche. Es una variación impresionante de energía, incluso para una estrella del porte de Eta Carinae. Al cabo de algunos meses, volvió a encenderse”, recuerda investigador.

Al comparar los datos de sus observaciones con las descripciones de los fenómenos de 1948 y 1960, Damineli arribó a la conclusión de que aquel “apagón” estelar que se detectaba en algunas franjas del espectro electromagnético se repetía cada 5 años y medio. En un artículo publicado en The Astrophysical Journal, en 1996, previó que un nuevo evento sucedería al año siguiente.

Ningún colega extranjero se animó a firmar el trabajo junto a Damineli. Temían que los datos obtenidos con el “jungle telescope” (“el telescopio de la selva”) de Minas Gerais fuesen imprecisos. Pero el científico brasileño estaba en lo cierto. La estrella se apagó.

“Ese fenómeno sólo podría explicarse debido a la existencia de dos estrellas, una menor y otra mayor. Ellas van girando y de tiempo en tiempo una esconde a la otra. Es un eclipse. Estimé 90 masas solares para la mayor y 30 para la menor. Es lo que da para 5 años y medio”, comentó el científico.

Si es que efectivamente existieran dos estrellas, argumentó Damineli, sus vientos solares entrarían en colisión cuando ambas se acercasen al periastro, el punto más cercano de sus órbitas: eso liberaría una energía de 10 millones de grados Celsius y provocaría la emisión de rayos X.

Un grupo de científicos encabezados por Mike Corcoran, de la National Aeronautics and Space Administration (Nasa), de Estados Unidos, aceptó la sugerencia de Damineli y apuntó el telescopio de rayos X RXTE prácticamente todos los días hacia la estrella, hasta que se confirmó la hipótesis, durante el período de apagón.

“Corcoran me dijo: ‘¡Te equivocaste! En realidad son 100 millones de grados Celsius’. Y yo le respondí: ‘¡Mejor todavía!’”, comentó Damineli.

Por ese trabajo, Corcoran ganó un premio de la Nasa en 1999. Sus datos dotaron de consistencia al abordaje postulado por Damineli, y a partir de entonces aumentó exponencialmente el interés de la comunidad astronómica internacional por los estudios con la estrella gigante de la Vía Láctea, ahora dividida en Eta Carinae A y Eta Carinae B.

El eclipse siguiente fue seguido por un equipo internacional desde observatorios situados en diversos países del hemisferio Sur, desde donde el fenómeno es más visible. Los astrónomos calcularon que, de acuerdo con el tamaño de las estrellas, el apagón duraría un mes. Pero Eta Carinae nuevamente sorprendió a sus admiradores y tardó seis meses para volver a la normalidad.

“Notamos que el evento que sucedía cada 5 años y medio era más complicado de lo que imaginábamos. En 2003 y en 2009, vimos que siempre empezaba a la hora prevista, entonces era efectivamente un eclipse. Pero cada vuelta ocurría de una manera distinta. Había alguna otra cosa. Mi hipótesis indicaba que el viento de una estrella se entrelazaba con el viento de la otra y se producía una especie de colapso. Recién cuando ambas se apartaban, todo volvía a la normalidad”, dijo Damineli.

La nueva teoría salió publicada en enero de 2012 en The Astrophysical Journal, con Maidan Teodoro, en ese entonces becario de doctorado de la FAPESP, como autor principal, quien en la actualidad realiza un posdoctorado en la Nasa.

“Aparecieron jóvenes de diversos países, de esos que ya nacieron con un teclado en sus manos, interesados en investigar la hipótesis del colapso. Son fenómenos en computación: hicieron nuevos cálculos y efectuaron cambios importantes en la teoría que yo había planteado”, comentó Damineli.

El investigador del IAG había reparado que, poco antes del apagón, era posible captar la emisión de átomos de helio doblemente ionizados (He++), algo esperable únicamente para estrellas mucho más calientes que Eta Carinae.

“Durante 50 años se dijo que Eta Carinae es una estrella fría, de a lo sumo 15 mil grados Celsius, entonces debería haber tan sólo átomos de helio neutro en su superficie. Sin embargo, con base en los datos que observé, João Steiner [docente del IAG/ USP] demostró que un mes antes del apagón se produce una fulguración equivalente a 5.200 veces la luz del sol solamente en el ultravioleta extremo, que genera el He++”, explicó Damineli. Estos datos salieron publicados en otro artículo de The Astrophysical Journal.

Posteriormente, Thomas Madura, posdoctorando de la División de Ciencia Astrofísica de la Nasa, propuso en un nuevo artículo publicado en 2013 en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society que la emisión de He++ podría explicarse debido a la existencia de un agujero en la fotosfera de la estrella mayor. Por ende, los iones no provendrían de la superficie sino de la sub-fotosfera de la estrella, donde la temperatura es mucho más alta.

“Creemos que en un determinado momento, ambas estrellas se chocan. La menor termina entrando en la mayor y dejando sus entrañas a la muestra. Durante dos o tres semanas, antes del apagón, es posible observar ese agujero y es precisamente esto lo que estamos haciendo ahora. Pero cuando lleguen al periastro, el agujero se dirigirá hacia el lado opuesto. Seguirá todavía abierto durante algún tiempo más, pero no será posible estudiarlo”, comentó Damineli.

El agujero está siendo estudiado a partir del espacio desde el comienzo de julio, con los telescopios orbitales Hubble y Swift de la Nasa, y también desde observatorios situados en Nueva Zelandia, Australia, Sudáfrica, Argentina, Chile y Brasil. Se estima que este fenómeno será visible hasta el día 1º de agosto.

“En el Observatorio de Pico dos Dias estamos usando un telescopio menor aún que el que se empleó para descubrir la existencia del sistema binario. Mide tan sólo 60 centímetros, es completamente manual y su diseño es del siglo XIX. Es producto de un trueque con Alemania Oriental por café”, comentó Damineli.

Según el investigador, la ventaja radica en que el empleo de este aparato –un telescopio Zeiss con un espejo colector de 60 centímetros de diámetro– es menos disputado, lo que permite hacer un uso prolongado del mismo.

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Telescopio manual Zeiss, con espejo colector de sólo 60 centímetros (foto: Leandro Negro/ Agência FAPESP)

“Allí logro captar los canales que necesito y tengo la oportunidad de observar Eta Carinae durante 60 noches seguidas, algo imposible en un telescopio grande. En el Hubble, por ejemplo, tengo sólo una hora y media por mes. Es nada para un fenómeno como éste”, explicó.

Una de las metas de los científicos consiste en descubrir cuál es el tamaño y la profundidad del agujero que EtaB abre en la superficie de EtaA y, de esa forma, confirmar las teorías sobre los diferentes iones existentes en cada una de las capas que componen las grandes estrellas.

“Es la primera vez que observamos una estrella con la piel cortada y podemos ver las emisiones de la sub-fotosfera. Ahora queremos escudriñar y descubrir que hay debajo”, celebró Damineli.

Una estrella moribunda

Fueron necesarias técnicas de observación indirecta del sistema binario, tal como la de analizar las emisiones de la línea espectral de helio, ya que ambas estrellas principales y sus hermanas menores se encuentran cubiertas por una densa nube de gas y polvo, explicó Damineli.

La nebulosa, conocida como Homúnculo, fue mapeada recientemente en forma tridimensional por un grupo de nueve astrofísicos, tres de ellos brasileños. Los resultados se dieron a conocer a comienzos de julio en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

El autor principal y desarrollador del software SHAPE, utilizado en el modelado de la nebulosa del Homúnculo, es Wolfgang Steffen, investigador de la Universidad Nacional Autónoma de México (Unam).

De acuerdo con este estudio, Homúnculo tendría la forma de dos lóbulos ‒como un reloj de arena‒ constituidos por una corteza fina de polvo de alrededor de 15 veces la masa del Sol y 3 billones de kilómetros de extensión. El sistema binario de estrellas se ubicaría en el encuentro de esos dos lóbulos (lea más en portugués, en http://revistapesquisa.fapesp.br/2014/07/08/nebulosa-em-3d).

“Se cree que a nebulosa se habría originado debido a una gran explosión de EtaA ocurrida en 1843, y desde entonces se ha venido expandiendo. Son 15 masas solares viajando a una velocidad de 650 kilómetros por segudo. Con una fórmula sencilla, calculamos que la energía necesaria para arrojar tal cantidad de materia sería la equivalente a la de una pequeña supernova”, comentó Damineli.

Alrededor del Homúnculo hay señales de una explosión más antigua, que habría ocurrido hace unos 2 mil años. Observaciones indirectas sugieren también que habría ocurrido una tercera explosión hace tan sólo 110 años, lo que contraría nuevamente las teorías que indican que la supernova representaría el fin definitivo de una estrella.

“Aparentemente, Eta Carinae nos muestra que las estrellas pueden morir parcialmente. Es algo nuevo y que no todos los astrónomos conocen”, dijo Damineli. No obstante, añadió que la gran cantidad de nitrógeno liberada durante la explosión de 171 años atrás sería un indicio de que la estrella está efectivamente muriendo.

“Está con un pie en la tumba: ya pasó por tres explosiones. Sabemos que tiene 2,5 millones de años y que estrellas de este tipo suelen vivir 3 millones de años. Pero un patatús de ésos puede anticipar la muerte. Puede suceder en cualquier momento; pero si nos equivocamos en los cálculos en 250 mil años, no pasaremos vergüenza”, dijo Damineli.