TESS Permite un Estudio Revolucionario de Pulsaciones Estelares Desconcertantes

Telescopios Espaciales
13/5/2020
Las ondas de sonido que rebotan dentro de una estrella hacen que se expanda y se contraiga, lo que resulta en cambios de brillo detectables. Esta animación representa un tipo de pulsación Delta Scuti, llamada modo radial, que es impulsada por ondas (flechas azules) que viajan entre el núcleo y la superficie de la estrella. En realidad, una estrella puede pulsar en muchos modos diferentes, creando patrones complicados que permiten a los científicos aprender sobre su interior.
Image Credit: NASA/GSFC

Los astrónomos han detectado patrones de pulsación imprecisos en docenas de estrellas jóvenes que giran rápidamente gracias a los datos del satélite TESS de la NASA. El descubrimiento revolucionará la capacidad de los científicos para estudiar detalles como las edades, tamaños y composiciones de estas estrellas, todos miembros de una clase llamada así por el prototipo, la brillante estrella Delta Scuti.

"Las estrellas Delta Scuti claramente pulsan de maneras interesantes, pero los patrones de esas pulsaciones hasta ahora han desafiado la comprensión", dijo Tim Bedding, profesor de astronomía en la Universidad de Sydney. “Para usar una analogía musical, muchas estrellas pulsan acordes simples, pero las estrellas Delta Scuti son complejas, con notas que parecen estar mezcladas. TESS nos ha demostrado que eso no es cierto para todas ellas ".

Los geólogos que estudian las ondas sísmicas de los terremotos descubrieron la estructura interna de la Tierra a partir de la forma en que las reverberaciones cambiaron de velocidad y dirección a medida que viajaban a través de ella. Los astrónomos aplican el mismo principio para estudiar el interior de las estrellas a través de sus pulsaciones, un campo llamado astrosismología.

Las ondas de sonido viajan a través del interior de una estrella a velocidades que cambian con la profundidad, y todas se combinan en patrones de pulsación en la superficie de la estrella. Los astrónomos pueden detectar estos patrones como pequeñas fluctuaciones en el brillo y usarlos para determinar la edad, temperatura, composición, estructura interna y otras propiedades de la estrella.

Las estrellas Delta Scuti tienen entre 1,5 y 2,5 veces la masa del Sol. Llevan el nombre de Delta Scuti, una estrella visible para el ojo humano en la constelación del sur Scutum que se identificó por primera vez como variable en 1900. Desde entonces, los astrónomos han identificado miles más como Delta Scuti, muchas con el Telescopio Espacial Kepler de la NASA, que funcionó de 2009 a 2018.

Pero los científicos han tenido problemas para interpretar las pulsaciones de Delta Scuti. Estas estrellas generalmente giran una o dos veces al día, al menos una docena de veces más rápidas que el Sol. La rápida rotación aplana las estrellas en sus polos y mezcla los patrones de pulsaciones, haciéndolos más complicados y difíciles de descifrar.

Para determinar si existe un orden en las pulsaciones aparentemente caóticas de las estrellas Delta Scuti, los astrónomos necesitaban observar un gran conjunto de estrellas varias veces con un muestreo rápido. TESS monitorea grandes franjas del cielo durante 27 días a la vez, tomando una imagen completa cada 30 minutos con cada una de sus cuatro cámaras. Esta estrategia de observación permite que TESS rastree los cambios en el brillo estelar causados por los planetas que pasan frente a sus estrellas, que es su misión principal, pero las exposiciones de media hora son demasiado largas para captar los patrones de las estrellas Delta Scuti que pulsan más rápidamente. Esos cambios pueden suceder en minutos.

Pero TESS también captura instantáneas de unos pocos miles de estrellas preseleccionadas, incluidas algunas estrellas Delta Scuti, cada dos minutos. Cuando Bedding y sus colegas comenzaron a clasificar las medidas, encontraron un subconjunto de estrellas Delta Scuti con patrones de pulsación regulares. Una vez que supieron qué buscar, buscaron otros ejemplos en los datos de Kepler, que utilizaron una estrategia de observación similar. También realizaron observaciones de seguimiento con telescopios terrestres, incluido uno en el W.M. Observatorio Keck en Hawai y dos en la red global del Observatorio Las Cumbres. En total, identificaron un lote de 60 estrellas Delta Scuti con patrones claros.

“Esto realmente es un gran avance. Ahora tenemos una serie regular de pulsaciones para estas estrellas que podemos entender y comparar con los modelos ", dijo el coautor Simon Murphy, investigador postdoctoral en la Universidad de Sydney. "Nos permitirá medir estas estrellas usando la astrosismología de una manera que nunca hemos podido hacer. Pero también nos muestra que esto es solo un trampolín en nuestra comprensión de las estrellas Delta Scuti."

Las pulsaciones en el grupo Delta Scuti de buen comportamiento se dividen en dos categorías principales, ambas causadas por la energía almacenada y liberada en la estrella. Algunos ocurren cuando toda la estrella se expande y contrae simétricamente. Otros ocurren como hemisferios opuestos alternativamente expandiéndose y contrayéndose. El equipo de Bedding dedujo las alteraciones al estudiar las fluctuaciones de brillo de cada estrella.

Los datos ya han ayudado a resolver un debate sobre la edad de una estrella, llamada HD 31901, miembro de un grupo de estrellas recientemente descubierta que orbita dentro de nuestra galaxia. Los científicos ubicaron la edad en mil millones de años, según la edad de una gigante roja que sospechaban que pertenecía al mismo grupo. Una estimación posterior, basada en los períodos de rotación de otros miembros de la corriente estelar, sugirió una edad de solo unos 120 millones de años. El equipo de Bedding utilizó las observaciones de TESS para crear un modelo astrosismológico de HD 31901 que es compatible con la edad más temprana.

"Las estrellas Delta Scuti han sido objetivos frustrantes debido a sus complicadas oscilaciones, por lo que este es un descubrimiento muy emocionante", dijo Sarbani Basu, profesor de astronomía en la Universidad de Yale en New Haven, Connecticut, que estudia astrosismología pero no participó en el estudio. "Ser capaz de encontrar patrones simples e identificar los modos de oscilación está cambiando el juego. Dado que este subconjunto de estrellas permite análisis sísmicos normales, finalmente podremos caracterizarlos adecuadamente".

El equipo cree que su conjunto de 60 estrellas tiene patrones claros porque son más jóvenes que otras estrellas Delta Scuti, y se han establecido recientemente para producir toda su energía a través de la fusión nuclear en sus núcleos. Las pulsaciones ocurren más rápidamente en las estrellas jóvenes. A medida que las estrellas envejecen, la frecuencia de las pulsaciones disminuye y se mezcla con otras señales.

Otro factor puede ser el ángulo de visión de TESS. Los cálculos teóricos predicen que los patrones de pulsación de una estrella giratoria deberían ser más simples cuando su polo de rotación está de frente en lugar de su ecuador. Los científicos continuarán desarrollando sus modelos a medida que TESS comience a tomar imágenes completas cada 10 minutos en lugar de cada media hora en Julio. Bedding dijo que la nueva estrategia de observación ayudará a capturar las pulsaciones de aún más estrellas Delta Scuti.

"Cuando diseñamos TESS sabíamos que, además de encontrar muchos exoplanetas nuevos y emocionantes, el satélite también avanzaría en el campo de la astrosismología", dijo el investigador principal de TESS, George Ricker, del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial de Massachusetts en Cambridge. “La misión ya ha encontrado un nuevo tipo de estrella que pulsa en un solo lado y ha descubierto nuevos hechos sobre estrellas conocidas. A medida que completemos la misión inicial de dos años y comencemos la misión extendida, esperamos con ansias una gran cantidad de nuevos descubrimientos estelares que TESS realizará ".
 

Actualizado: 13/5/2020