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Divulgar es tener conciencia de una altísima misión: poner al alcance de la mayoría el patrimonio científico de la minoría. Manuel Calvo Hernando Another Day in the Lab

1/6/20 - DJ:

Girocronología: cuando el tiempo pasa rotando

T.E.L: 5 min.

Las Blue Lurkers son estrellas azules rezagadas de baja masa, ocultas en los diagramas HR que se pueden descubrir a partir de la rotación.



Digamos que una mujer da a luz a quintillizas. Una de las bebés se llama Estrella. Las niñas tienen la misma edad, son hermanas gemelas, y es lógico esperar que todas pasen por las mismas etapas al mismo tiempo. Sin embargo, luego de varios años, Estrella está aún en el colegio primario, mientras sus 4 hermanas están en la universidad.

Quien no sepa la historia puede pensar que Estrella es más joven que las demás o que rejuveneció como si hubiera encontrado la fuente de la juventud. Otros quizás consideren que Estrella tiene la misma edad, pero está rezagada.

¿Me cree si le digo que la verdadera razón por la cual Estrella está rezagada es que aumentó de peso? No es la única. Otra de sus hermanas, también aumentó de peso, pero menos.

Suena raro para las personas, pero no para las estrellas. Hablemos de las estrellas azules rezagadas que, en la jerga, se las llama Blue Stragglers Stars o BSS.

La mayoría de estas estrellas se encuentran en cúmulos globulares. Estos son grupos de estrellas unidas gravitacionalmente, co-móviles, que nacieron casi al mismo tiempo, de la misma nube de materia interestelar. Por tanto, son hermanas, tienen la misma edad. Sin embargo, algunas parecen más jóvenes que el resto. Es que son azules. Las estrellas jóvenes son azules, más calientes, y las más viejitas son rojas, menos calientes.

Una nueva investigación se centra en las hermanas engañosas de las rezagadas, a las que se denominó Lurkers, ocultas. Pero primero debemos entender qué ocurre con las BSS.

Para analizar un cúmulo globular, una herramienta muy usada desde hace décadas son los diagramas HR o diagramas de color-magnitud. Se sabe de las azules rezagadas desde 1953 cuando Allan Sandage creó un gráfico HR del cúmulo M3, en el halo galáctico. Los diagramas HR grafican la magnitud absoluta versus el color-temperatura de una población estelar y la localización del "gancho" o punto de quiebre de la secuencia principal es usado para determinar la edad del cúmulo.

Diagrama color-magnitud del cúmulo globular M3 realizado por Allan Sandage en 1953.

Las estrellas pasan por una secuencia de fases a lo largo de su evolución, conocida como Secuencia principal. Pero no todas. Algunas son más exóticas. Las estrellas masivas y muy luminosas dejan esa secuencia antes que las de menor masa, más rojas. El "punto de quiebre", allí donde las estrellas pierden el camino y salen de la secuencia, es el "turn-off" y coincide en los gráficos con una curva o gancho. Así, cuanto menos azules haya en la secuencia principal, más viejo el cúmulo. La figura 1 muestra el diagrama para M67.

La mayoría de las estrellas del cúmulo siguen este camino zigzagueante que da un giro o "gancho". Arriba del mismo hay azules rezagadas (BSS).

Fig.1: En este gráfico, los ejes marcan, en las ordenadas (eje Y-vertical) la magnitud, el brillo. Cuanto menor el número en Y, más luminosa es la estrella. En el eje horizontal, el índice B-V que indica el color o temperatura. Cuanto menor el número en X, más caliente (blanco-azul) la estrella. Mayor número, más amarilla, naranja o roja.

El descubrimiento de estas estrellas en los gráficos llamó la atención y se especuló con que quizás eran estrellas "polizontes", de otras regiones, capturadas por un cúmulo más viejo. Pero no es el caso. El secreto de su juventud es la interacción estelar.

Las BSS se hallan en cúmulos muy densos. Es lógico entonces suponer que, por tal densidad, es más probable que varias estrellas interactúen, sea fusionándose estrellas binarias, por la transferencia de materia entre binarias, o por colisiones. Al adquirir más materia por alguno de estos mecanismos, se vuelven más azules. Si originalmente ya eran masivas, la combinación final las vuelve extremas, llevándolas al régimen BSS.

LAS BSS OCULTAS
Las Blue Lurkers son BSS de baja masa. Es decir que dos estrellas de baja masa inicial, interactúan para formar otra estrella de masa intermedia. Así, la combinación se mezcla u oculta con las estrellas de secuencia principal, como se observa en la figura 2.

Fig.2: Blue Lurkers (BSS de baja masa), "ocultándose" entre las estrellas de secuencia principal.

Si no se puede identificar este tipo de estrellas por su posición en los diagramas, ¿cómo hacerlo? Los investigadores pensaron una buena solución: la rotación. La rotación se vuelve más lenta con la edad, al margen del momento angular inicial. Las BSS lurkers lo hacen más rápido que las estrellas de la misma región en los diagramas, por su interacción. Así, al estudiar las tasas de rotación en una muestra con estrellas de masas y edades similares, se pueden detectar estas rezagadas y ocultas que son también rápidos trompos cósmicos.

Las estrellas como nuestro Sol (en edad), en M67, tienen tasas de rotación de entre 20 y 30 días. Los autores del paper, sin embargo, encontraron 11 miembros con períodos de rotación más cortos que 15 días, como si fueran más jóvenes, pero radican en la misma región del gráfico. ¡Piedra libre!

Medir la rotación
Para medir la rotación, los astrónomos usaron dos métodos: primero miraron la periodicidad en curvas de luz muestreadas por la misión Kepler (la muestra de segunda luz o K2). Para eso crearon periodogramas Lomb-Scargle usando el software Vartools. Las estrellas tienen regiones más oscuras, debido a su campo magnético. Estas regiones causan que el brillo varíe, aunque también puede cambiar por otros procesos como el tránsito planetario, pulsaciones o una compañera binaria.

El otro método es buscar signos en el espectro. Las estrellas en rápida rotación exhiben líneas más anchas (por efecto Doppler) que se traducen en mediciones de velocidad radial proyectada (vsini).

Así, la astrónoma Emily Leiner y sus colegas hallaron 11 estrellas en rápida rotación entre 400 de secuencia principal en M67, lo que implica una tasa de casi 3% de rezagadas azules de baja masa o lurkers.

De las 11, dos estrellas de la muestra fueron seleccionadas usando vsini y 9 con curvas de luz K2. De esas 9, 5 son muy seguras detecciones de rápida rotación, mientras las restantes son menos seguras, según indican los autores.

En la tabla 1 figuran estos 11 objetos. Se indican identificadores de dos sondeos, período orbital en días, excentricidad, masa solar, índice B-V, período de rotación en días y finalmente si son miembros de un sistema binario o simple.

Tabla 1: Los rápidos trompos de la muestra. En la última columna se indica si son miembros de sistemas binarios (8 casos) o simples (3 casos). También se indican las masas binarias (calculadas por órbita), siendo la más masiva una quinta parte de nuestro Sol.

Es interesante como usan las velocidades de rotación como proxy (indicador indirecto) de edad estelar: la girocronología. El método ha sido objeto de críticas en otros momentos por su falta de calibración, debida a diferentes motivos. Sin embargo, es una buena idea. Con futuras misiones como TESS (ya lanzada por NASA, en operación, con misión extendida aprobada) y PLATO (misión europea prevista para 2026), el campo de estudio parece prometedor.

Y debe ser cierto. Después de girar en una calesita, nos sentimos más jóvenes...

Fuentes y enlaces relacionados
Blue Lurkers: Hidden Blue Stragglers on the M67 Main Sequence Identified from their Kepler/K2 Rotation Periods
Emily Leiner, Robert D. Mathieu, Andrew Vanderburg, Natalie M. Gosnell, Jeffrey C. Smith
arXiv:1904.02169 [astro-ph.SR]
https://arxiv.org/abs/1904.02169

Blue Lurkers and Blue Stragglers: Rapidly-Rotating Stars and their Fountain of Youth, por Catherine Manea
https://astrobites.org/2020/05/20/blue-lurkers-and-blue-stragglers-rapidly-rotating-stars-and-their-fountain-of-youth/

The color-magnitude diagram for the globular cluster M 3.
Sandage, A. R.
Astronomical Journal, Vol. 58, p. 61-75 (1953)
DOI: 10.1086/106822
1953AJ.....58...61S
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1953AJ.....58...61S/abstract

NASA TESS
https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/tess/objectives.html

Understanding the Lomb-Scargle Periodogram
Jacob T. VanderPlas
arXiv:1703.09824 [astro-ph.IM]
https://arxiv.org/abs/1703.09824

The VARTOOLS Light Curve Analysis Program
https://www.astro.princeton.edu/~jhartman/vartools.html

ESA PLATO
https://sci.esa.int/web/plato/

Sobre las imágenes
Figura 1: del sitio web de Emily Leiner
https://sites.northwestern.edu/emilyleiner/research/

Figura 2 y Tabla: Leiner et al (2020).

CMD M3: Sandage, AJ, 1953.

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