02 May El mecanismo único de las nebulosas planetarias

La mayoría de las estrellas de la Vía Láctea no son solitarias, tienen una compañera binaria y cuando se convierten en una nebulosa planetaria, la estrella compañera puede esculpir su forma: Una nueva investigación se centra en el efecto que las compañeras binarias y los chorros de gas tienen en las nebulosas planetarias.

Las nebulosas planetarias no tienen nada que ver con los planetas: Los astrónomos les dieron ese nombre antes de que aparecieran los telescopios modernos que les permitieran verlas con claridad, ya que se parecían a los planetas y de ahí su nombre.

Las nebulosas planetarias (NPs) provienen de estrellas de secuencia principal que se han convertido en gigantes rojas: Cuando la estrella llega al final de su etapa de gigante roja, arroja gases al espacio.

Una vez que la gigante roja deja de fusionar, se convierte en enana blanca: Los gases expulsados por la estrella absorben la radiación ultravioleta de la enana blanca y luego la emiten en diferentes longitudes de onda.

Esta es la razón por la que una nebulosa planetaria es una nebulosa de emisión, en lugar de una nebulosa de reflexión.

Un mecanismo físico oculto

El estudio analiza los patrones en espiral 3D en una NP en formación que resultan de un compañero en una órbita circular. Sus resultados muestran que el período orbital de la compañera puede tener un efecto poderoso en la forma final de la nebulosa al afectar las espirales.

Sus resultados también muestran cómo los chorros de la enana blanca, en el corazón de la nebulosa planetaria, pueden ayudar a difuminar las espirales y dar forma al objeto.

Existe un amplio acuerdo en que la mayoría de las NPs se forman de alguna manera a través de la evolución de los sistemas binarios: Esto significa que deberíamos esperar encontrar estructuras en forma de anillo en sus halos. Investigaciones anteriores sugirieron que alrededor del 35% de las NPs deberían tener estas estructuras.

Pero un estudio de 2016 de 650 NPs mostró que solo el 8% de ellas tienen estas estructuras. ¿Qué les pasó?

«La variedad de morfologías exhibidas por las NPs (redonda, elíptica, bipolar, multipolar e irregular; por ejemplo) se ha tomado como evidencia de la acción de mecanismos de configuración física adicionales«, escriben los autores.

Si solo el 8% de las NPs exhiben estructuras en forma de anillo, entonces algo podría estar difuminándolas. “Tal baja ocurrencia de estructuras en forma de anillo podría sugerir la existencia de un mecanismo físico que borra su firma”, explican los investigadores en su trabajo.

Los investigadores querían entender cómo el período orbital de un compañero binario ayuda a dar forma a esos patrones en espiral y cómo terminan dando forma a las propias nebulosas.

Pero hay obstáculos que superar: en solo unos pocos cientos de años, la expansión térmica de las nebulosas diluye los patrones en espiral y los chorros que expulsan material diluyen aún más los patrones.

El poder de la simulación

Para superar esos obstáculos, los autores recurrieron a una de las herramientas más poderosas de los astrónomos: las simulaciones: En este caso, utilizaron simulaciones hidrodinámicas de radiación en 3D para investigar la formación de NPs. “Presentamos las primeras simulaciones hidrodinámicas de radiación en 3D de la formación de NPs que emergen de patrones espirales en 3D”, escriben.

El período crítico es la fase post-AGB: AGB significa rama gigante asintótica, por lo que post-AGB básicamente significa el período de tiempo después de que una estrella se haya convertido en gigante roja y haya expulsado los gases que forman la NP.

Esta figura de la investigación muestra algunos de los resultados de la simulación: Muestra la formación de una NP dentro de un patrón espiral 3D para una estrella con una compañera binaria en una órbita de 558 años.

Los resultados se muestran en incrementos de 100 años hasta 500 años después del inicio de la formación de la NP. Ayuda a mostrar cómo la expansión térmica de la NP puede diluir el patrón en espiral.

Sus simulaciones concuerdan con investigaciones anteriores que muestran una baja tasa de detección de anillos y espirales. Sus simulaciones también concuerdan con resultados anteriores que muestran cómo la estructura en espiral de una NP puede desaparecer con bastante rapidez debido a los efectos dinámicos de su compañera binaria.

Pero también simularon el efecto de los chorros de la enana blanca dentro de la NP y mostraron cómo ayudan a borrar las estructuras en espiral y en anillo.

Esta figura del estudio muestra algunos de los resultados de la simulación del equipo donde se introducen los chorros de gas: El equipo simuló una amplia variedad de escenarios diferentes, incluidos chorros con diferentes velocidades.

Simulación vs. observación

Las imágenes simuladas están alineadas con las formas de las NPs que vemos en las imágenes de telescopio. Por ejemplo, la Nebulosa Ojo de Gato, una de las nebulosas más conocidas y de las que se obtienen imágenes con mayor frecuencia, tiene una similitud familiar con una de las simulaciones en particular.

“En particular, la imagen de abajo, correspondiente al modelo P4, presenta mejoras de densidad (en amarillo) indicativas de las interacciones entre un chorro de precesión y la estructura espiral 3D que recuerda a las estructuras similares a las de un arco de choque observadas en NGC 6543”, escriben.

Si bien algunos de los detalles de los procesos de las nebulosas planetarias están más allá de las simulaciones más complejas, el equipo llegó a algunas conclusiones:

Las regiones más densas de las espirales desaparecen con bastante rapidez: En solo unos 500 años, la expansión térmica los borra. Los chorros también ayudan a interrumpir las espirales.

Por estas razones, los autores escriben: “Se debe tener cuidado al tratar de evaluar los parámetros orbitales de espirales rotas, es decir, estructuras en forma de anillo, en los halos de las NPs, especialmente en aquellos casos en los que las estructuras han sido fuertemente rotas, como el caso de NGC 7027.”

Una joya de escarabajo

Esta imagen del telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA muestra NGC 7027, o la nebulosa «escarabajo joya». El objeto había estado inflando lentamente su masa en patrones silenciosos, esféricamente simétricos o tal vez en espiral durante siglos, hasta hace relativamente poco tiempo, cuando produjo un nuevo patrón de hoja de trébol.

Las nuevas observaciones del objeto han encontrado niveles de complejidad sin precedentes y cambios rápidos en los chorros y las burbujas de gas que salen de la estrella en el centro de la nebulosa.

Los resultados del equipo también muestran que el período orbital del binario tiene consecuencias para la formación de nebulosas planetarias, especialmente en las primeras etapas. «En particular», explican, «mostramos que las espirales 3D más entrelazadas producidas con períodos orbitales más pequeños dificultan la expansión de la energía caliente».

Fuente: Each Planetary Nebula is Unique. Why Do They Look So Different?