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Resuelta una de las incógnitas de los cúmulos globulares

4 Nov. 2016

Un estudio prueba que las estrellas más masivas y en la última etapa de su vida son las responsables de contaminar con nuevos elementos químicos el medio interestelar a partir del cual se originan sucesivas generaciones de estrellas en estos "fósiles astronómicos".

Los cúmulos globulares son un enjambre de en torno a un millón estrellas, unidas por efecto de la gravedad, distribuidas de forma aproximadamente esférica y que se han formado a partir de la misma nube de polvo y gas. Con edades cercanas a la propia edad del Universo, se consideran verdaderos "fósiles astronómicos", pues guardan información sobre la composición química y evolución de las galaxias desde sus orígenes. En ellos se forman estrellas de distintos tamaños y observando la mayor de las estrellas que aún sobrevive se puede determinar la edad del cúmulo. Sin embargo, desde hace dos décadas se sabe que existen distintas generaciones de estrellas en un mismo cúmulo. Y el origen de estas sucesivas generaciones era incierto hasta ahora.

La revista especializada The Astrophysical Journal Letters publica hoy un estudio de un equipo internacional, con participación del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), que resuelve esta incógnita sobre la formación y evolución de los cúmulos globulares en el Universo temprano. Según este trabajo, la clave está en las estrellas AGB (asymptotic giant branch o estrellas en la rama asintótica de las gigantes) masivas y evolucionadas. Esta es la primera evidencia de que estas estrellas tienen un papel fundamental en la contaminación del medio interestelar, a partir del cual se forman las sucesivas generaciones de estrellas.

Paolo Ventura, astrónomo del Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) y primer autor del artículo, ya mencionaba la importancia de las estrellas AGB durante su estancia reciente en el IAC como investigador visitante Severo Ochoa, momento en el que se estaban sentando las bases del estudio hoy publicado. “Hasta ahora –explica Aníbal García-Hernández, investigador del IAC y segundo autor del artículo- se habían propuesto varios tipos de estrellas como candidatas: estrellas supermasivas, estrellas masivas rotando rápidamente, binarias masivas interactuantes y estrellas AGB masivas. Con esta investigación, se cierra el debate sobre qué estrellas causan este proceso y se resuelven uno de los grandes temas pendientes en la formación y evolución de cúmulos globulares”, concluye.

“El siguiente paso –explica Flavia Dell’Agli, recientemente incorporada al IAC como investigadora postdoctoral y tercera autora del trabajo– consistirá en analizar sistemáticamente todos los cúmulos globulares del hemisferio norte ya observados por el instrumento APOGEE, así como el gran número de estos sistemas estelares que empezarán a observarse en el hemisferio sur a partir de la próxima primavera con APOGEE-2.”

El papel de las estrellas AGB

Históricamente, los cúmulos globulares se habían utilizado como laboratorios para el estudio de la evolución estelar, ya que se pensaba que todas las estrellas se formaban a la vez y, por tanto, tenían la misma edad. Sin embargo, desde hace varias décadas se sabe que prácticamente todos los cúmulos globulares contienen varias poblaciones estelares. En la primera, sus abundancias químicas –por ejemplo, elementos pesados como el aluminio y el magnesio- reflejan la composición original del medio interestelar o intra-cúmulo. En  tan sólo 500 millones de años tiene lugar la contaminación del mismo, a partir del cual se forma la segunda población de estrellas. Los investigadores creen que algunos de los objetos más masivos de la primera generación producen y destruyen estos elementos más pesados en su interior –nucleosíntesis – y, mediante una intensa pérdida de masa, contaminan el medio interestelar, donde se forma la segunda generación estelar con diferentes abundancias químicas. Pero ¿qué estrellas son las responsables de generar este fenómeno?

Los investigadores sospechaban de las estrellas AGB (asymptotic giant branch o estrellas en la rama asintótica de las gigantes) más masivas –entre cuatro y ocho veces las masa del Sol- y ahora con este estudio han podido corroborarlo. Para ello, combinaron las abundancias de magnesio y aluminio observadas por la colaboración internacional Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III) y el instrumento APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) con modelos teóricos de nucleosíntesis de estrellas AGB. Así, pudieron reproducir por primera vez las anticorrelaciones –relación en la que una medida aumenta mientras que la otra disminuye- entre ambos elementos en cinco cúmulos globulares con cantidad de metales (metalicidad) muy diferentes.

La producción de aluminio y destrucción de magnesio en el interior de las estrellas es muy sensible a la temperatura y metalicidad y, por eso, ofrecen el mejor diagnóstico para desvelar la naturaleza de los objetos contaminantes. A mayor temperatura en la zona donde se producen estos elementos –base convectiva de la estrella- se produce más aluminio y se destruye más magnesio. Además, la temperatura de esta zona aumenta cuando disminuye la cantidad de metales de la estrella. En estrellas AGB masivas, se esperan diferentes tipos de relaciones inversas: a muy baja metalicidad, se espera más aluminio y más destrucción de magnesio y, a una metalicidad mayor, justo lo contrario. Estos cambios en las anticorrelaciones son justamente los observados en cúmulos globulares, lo que coincide muy bien con las predicciones teóricas para las estrellas AGB masivas, pues producen esos elementos en su interior y luego los expulsan al medio interestelar por medio de una intensa pérdida de masa.

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