Existe un tipo de galaxias que se denominan activas (AGN) de las que, además de la luz de las estrellas que las componen, recibimos radiación en todas las frecuencias del espectro (desde ondas de radio hasta rayos gamma, pasando, por supuesto, por la luz que emiten las estrellas que las componen). Los procesos físicos que tienen lugar en el núcleo de estas galaxias son tan extremos que producen muchas otras partículas altamente energéticas, como es el caso de los neutrinos. Estas son las partículas subatómicas más abundantes en el Universo, que están en todas partes, pero son muy escurridizas. Aunque estén bombardeando constantemente la Tierra, moviéndose tan veloces como la luz, no podemos verlas ni sentirlas. Son partículas “fantasmas” porque casi nunca interaccionan con la materia y, sin embargo, son fundamentales para comprender las leyes de la naturaleza. Detectar neutrinos requiere, por lo tanto, instrumentos especiales, como el experimento IceCube, instalado en el Polo Sur, que utiliza un enorme cubo de hielo, con un tamaño de 1 km de largo, 1 km de ancho y 1 km de profundidad, como sensor para localizar estas partículas.

El 22 de septiembre de 2017, los investigadores de este particular observatorio anunciaron la detección de un neutrino extremadamente energético que procedía de un lugar externo a la Vía Láctea. La noticia se extendió rápidamente provocando una carrera para identificar la fuente responsable de esta emisión, que por la gran energía del neutrino detectado tenía que ser una galaxia activa capaz de emitir rayos gamma. El satélite FERMI y el telescopio MAGIC, instalado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma), fueron los primeros en activarse para buscar fuentes de este tipo de radiación dentro de la región del cielo esperada. Descubrieron que la galaxia activa TXS 0506 + 056 era la responsable de esta emisión y, por primera vez, fue posible asociar la emisión de neutrinos extragalácticos a una fuente conocida. Sin embargo, se desconocía la distancia a la que se encontraba, por lo que todavía no se podía deducir la luminosidad de la fuente, ni los procesos físicos responsables de la emisión de neutrinos.

Para medirla, eran necesarias observaciones espectroscópicas con telescopios «convencionales”, pero todos los intentos fallaron porque su señal era demasiado tenue. De manera que un equipo de investigadores liderado por la astrofísica Simona Paiano, del Observatorio de Padova del INAF (Instituto Nazionale di Astrofisica) y por Riccardo Scarpa, astrónomo del GTC, decidieron observar esta fuente con el mayor telescopio óptico-infrarrojo del mundo, es decir el Gran Telescopio Canarias, en La Palma. Los resultados se han publicado recientemente en la revista The Astrophysical Journal.

«Gracias a la enorme área colectora de luz del GTC, y después de dedicar varias horas de observación, pudimos detectar los rasgos típicos de la emisión del gas de la galaxia, y con ello determinar su distancia», explica Paiano. De esta manera, consiguieron situar a esta galaxia activa a una distancia de 6.000 millones de años luz de la Tierra. «Vimos la débil emisión del gas donde otros no vieron nada, un resultado que no habría sido posible sin la potencia del GTC y la experiencia de su personal», añade Scarpa.

“La asociación fidedigna de una fuente como un emisor de neutrinos de energía extremadamente alta, ubicada a miles de millones de años luz de distancia, abre una nueva ventana en Astronomía para estudiar el Universo de las más altas energías y, lo más importante, utilizar un mensajero que no sea la luz», concluye Simona Paiano.

Artículo: Paiano, S. et al. The redshift of the BL Lac object TXS 0506+056, The Astrophysical Journal Letters. http://lanl.arxiv.org/pdf/1802.01939v1

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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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