Las estrellas con masas entre una a ocho veces la masa del Sol evolucionan a través de la rama asintótica de las gigantes (AGB, de las siglas en inglés ‘Asymptotic Giant Branch’) antes de terminar sus vidas como enanas blancas. Es durante esta fase evolutiva, rápida pero crucial, cuando las estrellas se expanden a dimensiones gigantescas y se enfrían, perdiendo casi la totalidad de su masa debido a los fuertes vientos estelares. La baja temperatura y la alta densidad del viento proporcionan las condiciones perfectas para favorecer la condensación de los granos de polvo en sus envolturas circunestelares.

El polvo suministrado por las estrellas en su etapa AGB al medio interestelar es clave para la vida de las galaxias, ya que este es un elemento esencial para la formación de nuevas estrellas y planetas. Por ello, la caracterización del tipo de polvo (compuestos en estado sólido orgánicos frente a inorgánicos) y la cantidad de polvo producido por estas estrellas gigantes es muy interesante para la comunidad astronómica.

La revista The Astrophysical Journal Letters publica un estudio en el que se resuelve el misterio de un peculiar grupo de estrellas AGB masivas, ubicadas en la Gran Nube de Magallanes. Comparando las observaciones infrarrojas del Telescopio Espacial Spitzer (y predicciones para el futuro Telescopio Espacial James Webb) con los modelos teóricos desarrollados por este equipo, han descubierto que estas estrellas tienen masas alrededor de 5 masas solares, formadas hace unos 100 millones de años y son pobres en metales (metales como Fe, Mg y Si). Inesperadamente, el equipo ha descubierto que sus distribuciones espectrales de energía, en el rango infrarrojo, solo pueden reproducirse si el polvo de hierro es la principal especie de polvo en sus envolturas circunestelares. Esta situación es poco común alrededor de las estrellas AGB masivas. Antes se sabía que producían, principalmente, silicatos. Es decir, granos de polvo ricos en oxígeno, magnesio y silicio. Pero este hallazgo es aún más sorprendente si se considera el ambiente pobre en metales que rodea a las estrellas estudiadas.

«Hemos caracterizado por primera vez esta clase de estrellas con propiedades espectrales únicas. La baja metalicidad de estas estrellas gigantes es el ingrediente esencial que proporciona unas condiciones peculiares que permiten la formación de mayores cantidades de polvo de hierro», explica Ester Marini, autora principal del artículo y estudiante de doctorado de la Universidad Roma Tre. Y añade: “De hecho, en ambientes pobres en metales, la compleja nucleosíntesis estelar activa dentro de las estrellas AGB masivas es tan avanzada que agota casi todo el magnesio y el oxígeno, necesarios para formar otras especies de polvo como los silicatos”.

Bajo estas condiciones peculiares, el polvo de hierro se convierte en el principal componente de polvo formado por estas estrellas. «Este resultado representa una importante confirmación teórica para la formación de polvo de hierro en entornos pobres en metales, ya evocada por evidencias observacionales independientes», señala el investigador del IAC Aníbal García Hernández, coautor del trabajo y uno de los fundadores de la fructífera colaboración entre el IAC y el Osservatorio Astronomico di Roma (OAR-INAF) para este tipo de estudios en estrellas gigantes en la fase AGB.

«La llegada del Telescopio Espacial James Webb (JWST) abrirá nuevas posibilidades para investigar este caso en profundidad”, comenta Flavia Dell’Agli, investigadora postdoctoral del IAC y segunda autora del artículo. Y añade: “Esta futura instalación aumentará enormemente el número de estrellas AGB extragalácticas resueltas” y que el instrumento MIRI, que albergará el JWST, será “ideal para identificar esta clase de estrellas en otras galaxias del Grupo Local».

Artículo: E. Marini, F. Dell’Agli, M. Di Criscienzo, S. Puccetti, D. A. García-Hernández, L. Mattsson,  P. Ventura. “Discovery of stars surrounded by iron dust in the LMC”. ApJ. (http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aafdb0) DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/aafdb0

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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 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.

Más información:

Artículo: «Evidence of AGB pollution in Galactic globular clusters from the Mg-Al anticorrelations observed by the APOGEE survey», por Ventura et al. 2016, ApJL, 831, L17.
https://arxiv.org/abs/1610.03243
Entrevista con PAOLO VENTURA:“Entender cómo producen el polvo las estrellas es fundamental desde todos los aspectos de la Astrofísica”
Nota de prensa relacionada: Encuentran la generación perdida de estrellas en cúmulos globulares que predecían los modelos de evolución estelar

Contacto:

Paolo Ventura (INAF, Observatorio Astronómico de Roma): paolo.ventura@oa-roma.inaf.it (sólo en inglés)
Aníbal García-Hernández (IAC/ULL): agarcia@iac.es y 922 605 375
Flavia Dell’Agli (IAC/ULL): fdellagli@iac.es y 922 605 370

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