Cosmonautas de la autopista, a la manera de los viajeros interplanetarios que observan de lejos el rápido envejecimiento de aquellos que siguen sometidos a las leyes del tiempo terrestre, ¿qué vamos a descubrir al entrar en un ritmo de camellos después de tantos viajes en avión, metro, tren? Julio Cortázar.
Desde Buenos Aires, Argentina

2/1/18 - DJ:

El juego de las Enanas

T.E.L: 6 min.

En el Universo, las enanas marrones, rojas, blancas, azules y negras nos dicen que el tamaño no es lo que importa.



¿Será el cosmos como un tablero de ajedrez? La comparación es tentadora. Para que la analogía funcione en el Universo tendría que haber objetos blancos y negros (que brillan y que no); y seis tipos de "piezas".
Se dice que el biólogo TH Huxley dijo: "El tablero de ajedrez es el mundo; las piezas son los fenómenos del universo; las reglas del juego son lo que llamamos leyes de la Naturaleza. El jugador del otro lado está oculto. Sabemos que su juego es siempre justo y paciente. Pero también sabemos, a nuestro costo, que nunca pasa por alto un error, o hace la menor concesión para la ignorancia". En el siglo XIX, el francés Frederic Villot habría dicho: "El rey representa al Sol y la reina, a la luna. El primero está a veces en un cuadrado negro y otras en uno blanco, lo que nos da alternativamente el día y la noche..." (1)
Sin embargo, los astrónomos saben que los objetos astronómicos no son sólo 6 (como las piezas del ajedrez), y que no son blancos y negros, sino que hay varios intermedios, por eso usan los diagramas de color-magnitud desarrollados por Hertzsprung y Russell.

En el Universo observable por los humanos, el cosmos parece, en cambio, un juego de enanos. No, enanas, para beneplácito feminista, con lo cual más que un tablero de ajedrez es como un juego de damas. Pero veremos que se parece más a un juego de damas chinas que a uno occidental. ¿Alguna vez vio usted un tablero de damas chinas? Le prohíbo que lo busque en internet...

LAS ENANAS MARRONES SON ENANOS
Primero trataremos las enanas marrones que, ciertamente, no son estrellas. Por definición, los objetos estelares producen energía, radiación, a través de diferentes mecanismos. Cuando esos mecanismos logran equilibrio hidrostático se les dice "estrellas" y cuando pierden ese equilibrio se les dice "objetos exóticos". Las enanas marrones, en cambio, son objetos sub-estelares, estrellas fallidas, por lo tanto son planetas gigantes, mucho más grandes que Júpiter, pero que no tienen masa suficiente como para comenzar el proceso de fusión nuclear. Si son planetas, entonces, deberían ser "enanos", y en este juego de damas, no caben.
Nota: muchos de estos objetos no orbitan alrededor de una estrella, con lo cual no son planetas. En cualquier caso, son objetos cuasi-estelares.

ENANAS ROJAS: LARGA VIDA A LAS CHIQUITAS
Las enanas rojas son estrellas de baja masa en relación a otras. Si tomamos un diagrama de Hertzsprung-Russell, también conocido como diagrama H-R o diagrama color-magnitud, veremos que las estrellas que logran equilibrio hidrostático forman un sendero llamado "secuencia principal". Los objetos estelares en esa secuencia como no son las estrellas gigantes, por fuera de ese camino, entonces son enanas. Si observa uno de esos diagramas (ver abajo), es posible que le parezca que las enanas son una minoría, pero tales ilustraciones no tienen en cuenta la cantidad, sino sólo describen tipos espectrales.

A diferencia de lo que a veces experimentamos en la vida cotidiana, en física y en particular en astrofísica, lo rojo es menos energético que lo azul. Las enanas rojas son estrellas más frías. Se las caracteriza como estrellas de tipo espectral M, entre 0,075 y 0,5 masas estelares. Es decir que una enana roja tiene menor masa que nuestro Sol. Son estrellitas, pero son muy numerosas, las más comunes en la Vía Láctea. De las sesenta estrellas más cercanas al Sol, cincuenta son enanas rojas, incluyendo a Proxima Centauri.

¿En qué devienen las enanas rojas? Es difícil decirlo porque como son convectivas, es decir que el helio no se acumula en el núcleo, tienen un vida muy, muy, muy larga. La vida estimada de las enanas rojas es mayor a la vida del Universo hasta ahora, por lo tanto, en el universo observado, no se hallan estrellas enanas rojas en un estadío suficientemente tardío como para salir de la secuencia principal. Sin embargo, con el conocimiento físico y las simulaciones computacionales, se puede teorizar que muchas enanas rojas finalmente pasarán por un estadío de gigantes rojas, posteriormente serían enanas azules, luego enanas blancas y finalmente enanas negras.

En términos generales, el universo muestra que a mayor masa, menor tiempo de vida. No es el triunfo de los más masivos, sino de las menos masivas. Pero, como veremos, no es sólo una cuestión de tamaño, sino de densidad.

Fig.2 El diagrama H-R para enanas rojas con masas en el rango M=0,08 - 0,25M. Estrellas con masas iguales a 0,25M son las menos masivas que pueden ser gigantes rojas. El diagrama interno muestra el tiempo de vida de quema de hidrógeno como una función de la masa estelar. Notar que estas pequeñas estrellas viven por miles de billones de años. En el gráfico principal, el eje horizontal indica temperatura y el eje vertical la luminosidad. (Crédito: ADAMS,BODENHEIMER,LAUGHLIN, 2005)

ENANAS BLANCAS: DENSAS Y PERSISTENTES
Las estrellas de masa intermedia o baja, como nuestro Sol, pasarán por un período de gigantes rojas, que deviene en nebulosa planetaria cuyo remanente es una enana blanca. El período de enana blanca alcanzará a la gran enorme mayoría de las estrellas en el universo. Se llega a este estadío cuando las estrellas de masa intermedia o baja no logran más el equilibrio hidrostático. Expliquemos esto: La gravedad comprime a átomos de hidrógeno, que al hacerlo, aumentan en temperatura. En un punto crítico, esa densidad y temperatura permiten que los átomos se fusionen, expulsando en el proceso energía en forma de radiación: la estrella brilla. Pero si sólo hubiera gravedad, la estrella nunca terminaría de formarse y colapsaría. Ocurre que la gravedad crea a su propio enemigo: la presión radiativa. En este proceso dialéctico, a decir de Heráclito, como una lucha de contrarios, la gravedad que permite la fusión, genera como consecuencia que esa energía que surge desde el interior de la estrella a todas partes, produzca una presión "en sentido contrario" a la gravedad. Por eso la estrella logra el "equilibrio", que puede durar miles de millones de años. Este equilibrio depende entonces de la presión y ésta de la fusión. Como el hidrógeno original no es infinito, en algún momento se acaba. Entonces la ágil estrellita se expande y fusiona carbono y oxígeno. Si ese proceso no se puede continuar, porque masa-temperatura no lo permiten, entonces se expulsan las capas exteriores de la atmósfera y tras una fase de nebulosa planetaria queda un núcleo estelar desnudo: la enana blanca.
Estas estrellitas serán muy pequeñas en volumen, pero tienen mucha masa comprimida. La mitad de la masa original la perdieron y se comprimieron en un volumen muy pequeño, del tamaño de la Tierra. Allí radica su fortaleza: en la agrupación. Este objeto exótico muy denso degenera la materia. Aunque ya no puede tener equilibrio por presión radiativa, aparece otro tipo de presión dada por una degeneración de la materia en razón del Principio de Exclusión de Pauli. Es decir que es una presión generada por la manera en que puede ordenarse la materia teniendo en cuenta que los electrones no pueden compartir el mismo estado.
En las estrellas masivas, pero no tanto, ocurre un proceso degenerativo similar con los neutrones, produciendo estrellas de neutrones que también están compuestas de materia degenerada.
Las enanas blancas, compactas y muy calientes, pierden energía muy lentamente, al enfriarse. Como este proceso dura tanto tiempo que es mayor a la edad del Universo, es difícil, como en el caso anterior, saber su evolución posterior. Pero es posible teorizar que gradualmente al perder energía y temperatura se irán apagando hasta volverse negras. Es tan lento este proceso que si las galaxias se desvanecieran por la expansión del universo, todavía persistirían las enanas blancas. Sirio B es la enana blanca más cercana (unos 8 años luz). Otra es Procyon B, ambas componen sistemas binarios.

Clasificación estelar y sistemas
En el diagrama H-R se verán números romanos que se usan en la clasificación Morgan-Keenan-Kellman (MKK), también conocido como sistema Yerkes en relación al observatorio Yerkes en el que trabajaban William Wilson Morgan, Philip C. Keenan y Edith Kellman, para diferenciar a los tipos estelares según ciertas líneas de absorción. Así, la clase de luminosidad 0 corresponde a Hipergigantes, I para supergigantes, II gigantes brillantes, III gigantes regulares, IV subgigantes, V secuencia principal (enanas), VI subenanas, VII enanas blancas.
El sistema de Harvard, desarrollado por Annie Cannon, usa letras según color, con subdivisiones: estrellas O, azules; B blanco-azuladas; A blancas, etc. Las estrellas K y M tienen menos de 1 M (masa solar). Nuestro sol es una estrella G2.

ENANAS AZULES
En enanas rojas menores a 0,25 M (masas solares), en vez de incrementar su superficie como gigante roja, es posible que incrementen la temperatura de superficie, volviéndose azuladas. Sin embargo, cuando terminen su combustible de hidrógeno, pasarían a ser enanas blancas.

ENANAS NEGRAS
De lo dicho antes se desprende la posibilidad teórica, nunca observada, de que las enanas blancas al ir apagándose se vuelvan enanas negras, ya sin radiación, y en vez de ser ultra calientes como las blancas, serían ultra frías, como la radiación de fondo. Cabe preguntarse si estas estrellas formadas por protones durarán para siempre. Eso dependerá de la vida media del protón, que parece que no decae, pero que quizás sí lo haga en un período muy largo de tiempo, quizás 1040años. A propósito, se ha calculado que hay más juegos posibles de ajedrez que átomos en el universo. Nota: hasta hace unas décadas se nombraba como "enanas negras" a estrellas fallidas, es decir, lo que hoy se nombra como enanas marrones.

EL FIN DE LAS ENANAS BLANCAS
Para que los electrones degenerados puedan equilibrar por presión a la estrella, ésta no debe superar el límite de Chandrasekhar de 1,44 M. Si se supera ese límite, el objeto devendrá en un agujero negro o estrella de neutrones. Debe considerarse también el rol de las enanas blancas en las Supernovas Tipo Ia: en esos casos, una enana blanca orbita alrededor de un centro común de masa con otra estrella a la que le roba materia hasta producirse el colapso.

CONCLUSIÓN
El universo es un juego de damas, no de ajedrez. Y de damas chinas. Y de enanas, más que de gigantes. No siempre el más grande triunfa. Las enanas blancas enseñan que la agrupación (densidad) es más importante que el tamaño, que los equilibrios no son eternos o infinitos y que lo degenerado es más común de lo que parece.

https://youtu.be/qsN1LglrX9s

Fuentes y enlaces relacionados
(1) The astronomer and the chessboard, por Rohit Gupta
http://www.thehindubusinessline.com/blink/explore/the-astronomer-and-the-chessboard/article6341747.ece

Adams, F. C., Bodenheimer, P. and Laughlin, G. (2005), M dwarfs: planet formation and long term evolution. Astron. Nachr., 326: 913–919. DOI:10.1002/asna.200510440

R. F. Jameson, M. R. Sherrington, A. B. Giles; A failed search for black dwarfs as companions to nearby stars, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 205, Issue 1, 1 November 1983, Pages 39P–41P, https://doi.org/10.1093/mnras/205.1.39P

A Dying Universe: The Long Term Fate and Evolution of Astrophysical Objects
Fred C. Adams, Gregory Laughlin (U. Michigan)
arXiv:astro-ph/9701131
https://arxiv.org/abs/astro-ph/9701131

En wikipedia
https://es.wikipedia.org/wiki/Enana_blanca
https://es.wikipedia.org/wiki/Enana_negra
https://es.wikipedia.org/wiki/Enana_azul_(etapa)

Sobre las imágenes
Wikimedia User:Spacepotato [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

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