¿Cómo se alimentan las estrellas masivas al formarse? Una investigación en la que participó un científico de la UCR explica todos los detalles

Imagen artística que ejemplifica el proceso descrito en la investigación, de la que formó parte el Dr. Oliva. Imagen elaborada por Bill Saxton, del NRAO.

En un avance sin precedentes para el campo de la astrofísica, un equipo internacional de astrónomos ha logrado observar directamente el flujo de gas que alimenta a una estrella masiva en formación, lo que revela el mecanismo que permite su rápido crecimiento.

Este descubrimiento fue posible gracias al Very Large Array (VLA), una red de radiotelescopios que es operada por el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO por sus siglas en inglés), y que forma parte de la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF por sus siglas en inglés) de Estados Unidos.

Dicha investigación se centró en HW2, una estrella joven ubicada en la región de formación estelar Cefeo A, a unos 2 300 años luz de la Tierra. Se trata del segundo sitio de formación de estrellas masivas más cercano a nuestro planeta, lo que lo convierte en un laboratorio ideal para estudiar los procesos que les dan origen.

El trabajo se basó en utilizar transiciones específicas del amoníaco (NH₃), que es una molécula común en las nubes de gas interestelar, para que los científicos lograran cartografiar el denso anillo de gas caliente que rodea a la estrella HW2; esto reveló una estructura de disco de acreción, con radios de entre 200 y 700 unidades astronómicas (UA).

Ese disco canaliza el material circundante hacia la estrella, lo que le permite alimentarse y alcanzar masas muy superiores a las de nuestro sol.

Los investigadores, dentro de los cuales estuvo el Dr. André Oliva Mercado, investigador del Centro de Investigaciones Espaciales (Cinespa) de la Escuela de Física de la Universidad de Costa Rica (UCR), midieron una tasa de acreción de aproximadamente dos masas solares cada mil años, una de las más altas jamás registradas en una protoestrella de este tipo.

Esta cifra sugiere que los discos de acreción pueden sostener tasas de alimentación extremas, lo que permite que una estrella como HW2, que ya tiene 16 veces la masa del Sol, siga creciendo más. 

El aporte de un científico costarricense

El trabajo del Dr. André Oliva se centró en comparar esos resultados mediante simulaciones avanzadas, y logró confirmar que el comportamiento del gas muestra un colapso, casi en caída libre, mientras gira a enormes velocidades, aspecto que concuerda con los modelos teóricos (ver video explicativo aquí).

Esta ilustración, bastante exacta desde el punto de vista científico, combina los resultados de las simulaciones y las observaciones hechas durante el estudio. Imagen elaborada por André Oliva.

Esta labor la desarrolló el Dr. Oliva como parte de su posdoctorado en el Observatorio de Ginebra, Suiza, para lo cual recibió el apoyo de la Oficina de Asuntos Internacionales y Cooperación Externa (OAICE UCR). “Mis aportes confirman que la gravedad y la rotación trabajan en conjunto para regular el colapso del gas”, afirmó Oliva.

En general, este estudio también identificó asimetrías y turbulencias dentro del disco, lo que sugiere la existencia de corrientes de gas externas, conocidas como streamers, las cuales podrían inyectar material fresco de manera desigual.

Un trabajo de investigación anterior, que realizó André Oliva mientras cursaba el doctorado y en el que coincidió con Alberto Sanna, le sirvió para que lo contactaran nuevamente, con el fin de que se uniera al equipo que desarrolló este nuevo estudio. Foto: cortesía de André Oliva.

Dichas estructuras ya han sido observadas en otros entornos de formación estelar, y los científicos indican que al parecer son fundamentales para mantener el suministro de gas en los discos de acreción.

La acreción es un término usado dentro de la astrofísica para explicar la manera en que un objeto, en este caso una estrella masiva, absorbe materia para alimentarse y crecer. 

Este trabajo investigativo, que ha sido aceptado para publicarse en la revista europea Astronomy & Astrophysics, no solo aporta una pieza fundamental al rompecabezas de la formación estelar masiva, sino que también tiene implicaciones para la evolución galáctica y el enriquecimiento químico del universo.

 Las estrellas masivas actúan como motores cósmicos y siembran las galaxias con los elementos pesados que forman planetas, atmósferas y, eventualmente, la vida.

El Dr. Oliva realizó dos modelos computacionales que sirvieron para entender lo que estaba ocurriendo con el gas.

• Modelo 1: se trató de un sistema cinemático y sencillo, pero ajustable para ayudar a los demás investigadores a entender las observaciones de las velocidades del gas. Esto permitió descubrir que el gas, mayormente, cae hacia la estrella, a la vez que se encuentra rotando.
• Modelo 2: abarcó una simulación mucho más compleja en la que se puede observar cómo, a partir de una nube molecular, se forma el disco de acreción y la estrella. Además, se puede constatar cómo se llegó a ver lo que se está observando, y cuál será el futuro de la estrella.

“El segundo modelo nos permite saber si estamos entendiendo, desde el punto de vista teórico, lo que vemos, mientras que el primer modelo sirve únicamente para describir lo que estamos observando”, explicó finalmente Oliva.

Los científicos que integraron el grupo de trabajo son: Alberto Sanna, investigador principal, líder del estudio y miembro del Observatorio Astronómico de Cagliari del Instituto Nacional de Astrofísica (INAF), Italia; L. Moscadelli, A. Giannetti, G. Sabatini, M. Beltrán y A. Garatti, todos del INAF; C. Brogan y T. Hunter de NRAO, Estados Unidos; José María Torrelles del Instituto de Ciencias del Espacio, Barcelona, España; A. Rodríguez-Kamenetzky del Instituto de Astronomía Teórica y Experimental, Argentina; Rolf Kuiper de la Universidad de Duisburg-Essen, Alemania; y André Oliva, del Cinespa UCR.