1998

SUMARIO

UNA NUEVA VISIÓN DE LA NEBULOSA DEL ANILLO

La Nebulosa del Anillo, en la constelación de la Lira, es una de las nebulosas planetarias más brillantes y, posiblemente, de las más famosas. Situada a una distancia de 650 parsecs (2.000 años-luz), su característica forma de anillo puede ser observada en las noches de verano incluso con telescopios de aficionados de pequeña apertura. Sin embargo, a pesar de haber sido muy estudiada, aún quedan aspectos muy importantes por conocer de esta singular nebulosa planetaria. Una investigación realizada por investigadores del IAC establece la estructura tridimensional de esta nebulosa mediante un profundo análisis de su cinemática y aborda aspectos novedosos como el estudio de la región de fotodisociación del hidrógeno.

Durante la mayor parte de su vida, las estrellas de masa baja e intermedia han obtenido, de la fusión de hidrógeno y helio en su interior, la energía suficiente para soportar su peso y evitar su propio colapso gravitatorio. Finalmente, este equilibrio queda roto y la estrella expulsa sus envolturas externas, quedando reducida a un núcleo compacto y terriblemente caliente. El material gaseoso expulsado, que formaba antes la envoltura estelar, es ahora ionizado por los restos de la estrella central, al tiempo que es barrido violentamente por fuertes vientos estelares: se ha formado una nebulosa planetaria, un fugaz y bello epílogo en la evolución de las estrellas de masa baja e intermedia... y es ahora cuando nosotros estudiamos las propiedades de estas nubes de gas ionizado para comprender mejor los últimos estadíos de la evolución estelar en este rango de masas.

Figura 1: Imagen en falso color de la Nebulosa del Anillo y su halo interno obtenida al combinar varias imágenes monocromáticas del telescopio NOT, del Observatorio del Roque de los Muchachos (La Palma), y del telescopio de 2,2m, del Observatorio de Calar Alto (Almeria). Autores: Martín Guerrero y colaboradores.© IAC

La Nebulosa del Anillo (figura 1), en la constelación de la Lira, es una de las nebulosas planetarias más brillantes y, posiblemente, de las más famosas. Situada a una distancia de 650 pc, su característica forma de anillo puede ser observada en las noches de verano incluso con telescopios de aficionados de pequeña apertura. Con telescopios de mayor diámetro, pronto se hace tangible la diferente matización del gas nebular: azulado en la parte central, debido a la emisión del oxígeno ionizado dos veces; enrojecido en los contornos, donde predomina la emisión de hidrógeno y de nitrógeno una vez ionizado. La estrella central, muy azul debido a su alta temperatura (117.000 K), necesita ser observada con grandes telescopios dada su baja luminosidad. Más débil aún es el tenue halo que envuelve la parte central más brillante, formado por una serie de estructuras en forma de pétalos y rodeada por un extenso halo circular.

Siendo una de las nebulosas planetarias más cercanas y brillantes, la Nebulosa del Anillo ha sido estudiada en infinidad de trabajos, usando muy diferentes técnicas y procedimientos. Su morfología anular, en cuyo centro se observa la presencia de una estrella azul, la han convertido en arquetipo de las nebulosas planetarias clásicas. Resulta, por tanto, asombroso que cuestiones tan básicas, como determinar cuál es su estructura tridimensional, aún no hayan sido resueltas de forma satisfactoria. Para algunos investigadores, la existencia de moléculas de H2 y de CO en los alrededores sugiere que la Nebulosa del Anillo es realmente un anillo o toroide. La estructura de pétalos que rodea la nebulosa es entonces interpretada como una nebulosa bipolar que fuese vista a lo largo del eje polar.

Con el propósito de discernir la estructura real de esta magnífica nebulosa planetaria, A. Manchado y M. A. Guerrero, en colaboración con la doctora Y.-H. Chu, de la Universidad de Illinois, iniciaron un estudio exhaustivo de sus abundancias químicas y de su cinemática. En este estudio se prestó especial atención a las posibles variaciones entre la parte central de la nebulosa y los halos que la rodean. Los resultados de este trabajo, recientemente publicados en The Astrophysical Journal, muestran que las abundancias químicas son homogéneas, tanto en la parte central, como en las diferentes estructuras externas. No se encontró un enriquecimiento de nitrógeno o helio del halo interno, como se esperaría en el caso de una nebulosa bipolar para cuyas estrellas centrales los modelos predicen un enriquecimiento superficial importante. Por otra parte, la cinemática de la parte central se interpreta, sin lugar a dudas, dentro de un esquema de capa elipsoidal en expansión inclinada en la dirección del eje mayor de la nebulosa central (figura 2). La superficie de esta capa se está disgregando y el material impacta el halo que la rodea. Esto explica las diferencias morfológicas halladas entre los halos internos y externos, aún cuando sus similares propiedades químicas y cinemáticas apuntan a un origen común, el viento de la gigante roja progenitora.

Figura 2: Esquema de la estructura propuesta para la Nebulosa del Anillo, englobando la parte central brillante y su halo. Extraída de Guerrero, Manchado & Chu (1997, ApJ 487, 328).

En conclusión, este estudio no apoya la hipótesis bipolar. En lugar de ello, se propone que la Nebulosa del Anillo es una capa elipsoidal rodeada por un halo esférico formado por el viento expulsado durante la fase de gigante roja. De los polos del elipsoide escapa material en forma de burbujas cuya interacción con el halo, en combinación con una excitación anisotrópica produce la morfología en forma de pétalos observada en el halo interno. La figura 2 muestra un esquema del modelo propuesto para la Nebulosa del Anillo. Dicha figura representa la estructura de la nebulosa como se vería si diésemos un corte en un plano a lo largo del eje mayor.

En el marco de un proyecto más amplio, cuyo objetivo es comparar la morfología del material ionizado y del hidrógeno molecular de más de 40 nebulosas planetarias bipolares y elípticas, obtuvimos una imagen de la Nebulosa del Anillo en infrarrojo cercano en la línea de hidrógeno molecular, H2. Uno de los objetivos de este programa, para lo que contamos con la colaboración del profesor del CSIC José Cernicharo, es el análisis de la región de fotodisociación. Es justo en esta región donde el hidrógeno molecular, apantallado de la emisión UV de la estrella central por la mayor densidad del material en el ecuador, aún no se ha fotodisociado. De este modo, es posible determinar las escalas típicas de estas regiones y deducir parámetros asociados al campo de radiación, y la densidad y temperatura del material, para así establecer la física de la disociación del hidrógeno.

Figura 3: Cortes espaciales a lo largo del eje mayor (arriba) y menor (abajo) de la Nebulosa del Anillo en las líneas de [N II] (rojo), Ha (azul) y H2 (verde).

Para dicho análisis, resulta de gran utilidad la comparación entre el perfil espacial en diferentes direcciones de la línea de Ha, [N II] y H2 como trazadores del grado de ionización del material. En la figura 3 se han representado dichos perfiles espaciales para las líneas de Ha (azul), [N II] (rojo) y H2 (verde). Se aprecia cómo en el eje menor el máximo en el perfil de H2 aparece en torno a 1" más afuera que el de [N II], mientras que el máximo en Ha se encuentra 2" más al interior. A una distancia de 650 pc, esto significa que en una escala en torno a 1016 cm se disocia el hidrógeno y en 2x1016 cm se ioniza completamente. En el eje mayor la situación (como la morfología de esta nebulosa) es más confusa, existiendo regiones donde, debido a efectos de proyección, parecen coexistir la emisión en hidrógeno molecular e ionizado. Las imágenes ópticas en [N II], [O III] e H2 se combinaron para generar una imagen en falso color que nos da información directa de la distribución del material ionizado ([O III], azul), de la región de baja ionización ([N II], rojo), y de la zona de material molecular (H2, verde). La figura 1, donde se presenta esta imagen, resulta altamente ilustrativa: la emisión central es dominada por el material de alta ionización; la emisión de baja ionización ([N II]) queda confinada a una fina capa, inmediatamente envuelta por la emisión de hidrógeno molecular. En todo el anillo se aprecia la existencia de regiones compactas de muy baja o nula ionización que sobreviven al intenso campo de radiación circundante. La emisión del halo interno es muy intensa en la línea de H2, confirmando la alta importancia de la excitación por choques de dicha región.

INVESTIGADORES:

José Cernicharo (CSIC, Inst. de Estructura de la Materia)
You-Hua Chu (Depto. de Astronomía, Univ. de Illinois, EEUU)
Pedro García-Lario (ESA, ISO Center, Vilspa)
Martín A. Guerrero (IAC)
Arturo Manchado (IAC)
Eva Villaver (IAC)
Francisco Prada (UNAM, Ensenada, México)