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¿Cómo sabemos la edad de la Vía Láctea?

En la última entrada estuve hablando sobre las estrellas enanas blancas y, entre otras cosas, mencioné que en nuestra galaxia se han encontrado algunas que llevan brillando entre 11.000 y 12.000 millones de años. A raíz de este dato, la voz cursiva me susurró:

Mucho hablar de astronomía, pero nunca te has preguntado cuál es la edad de la Vía Láctea.

Así que busqué la información y parece ser que los astrónomos estiman que nuestra galaxia se empezó a formar hace unos 13.600 millones de años, lo que significa que la existencia de la Vía Láctea se remonta a los primeros años del universo (que, recordemos, tiene unos 13.800 millones de años).

Ah, vale, entonces caso cerrado. Nos vemos en la siguient…

Para el carro, voz cursiva, que se me hace raro que aceptes un dato como este con tanta facilidad. ¿No te parece una cifra muy loca? ¿Cómo sabes que los astrónomos no se la han sacado de la manga?

¡Tienes razón! ¡Casi caigo en tus sucias trampas! ¿Cómo se supone que pueden saber cuándo se formó la galaxia?

Me alegra que lo preguntes.

La Vía Láctea no es más que un gran grupo de estrellas unidas por su atracción gravitatoria, así que el primer paso para descubrir la fecha de nacimiento de nuestra galaxia es descubrir cuál es la edad de las estrellas más viejas que se conocen.

Todas las estrellas, sin importar su tamaño, empiezan su vida de la misma manera: convirtiendo el hidrógeno que contienen en sus núcleos en helio a través de los procesos de fusión nuclear. Pero aquí se acaban las similitudes porque, de ahí en adelante, la evolución de cada estrella es muy distinta dependiendo de su masa.

Por ejemplo, las estrellas gigantes azules pueden tener masas más de 100 veces superiores que la del sol. El peso de todo este material sobre su núcleo genera unas condiciones de calor y presión tan extremas que, aunque tengan unas reservas mucho mayores de hidrógeno que las de nuestra estrella, agotan su combustible en unos pocos millones de años. Parece mucho tiempo pero, como veréis en breves, se trata de una vida extremadamente corta para una estrella.

Una estrella súpergigante comparada con parte de nuestro sistema solar. (Fuente)

Respuestas (LXXIV): ¿De dónde procede el calor de las estrellas enanas blancas?

Raúl González me mandó la siguiente pregunta a jordipereyra@cienciadesofa.com: “¿cómo puede una enana blanca tener una temperatura mayor que la superficie del sol, si estas estrellas ya no producen su propia energía? ¿De dónde procede semejante calor?

He mencionado por encima las estrellas enanas blancas en otras entradas (como esta y esta otra) pero, para entender de dónde sale el calor que las hace brillar, primero tendremos que ver cómo se forman estos curiosos objetos.

“Primero tendré que irme por las ramas”, querrás decir.

Exactamente. Pero es un mal necesario, voz cursiva.

Como sabéis, las estrellas brillan gracias a la energía liberada por las reacciones de fusión nuclear que tienen lugar en sus núcleos, donde las condiciones extremas de calor y presión obligan a los átomos de hidrógeno a unirse entre ellos, formando un elemento más pesado, el helio, y emitiendo los rayos gamma que calientan la masa de la estrella hasta la incandescencia.

(Fuente)

En el caso del sol, por ejemplo, los 15.000.000ºC que reinan en su núcleo se traducen en una temperatura superficial de unos 6.000ºC… Que puede parecer muy baja en comparación, pero hay que tener en cuenta que el calor del núcleo se tiene que repartir por todo el volumen de nuestra estrella, que básicamente es una bola de gas de 1,4 millones de kilómetros de diámetro.

Pero, como bien ha señalado Raúl, la superficie de una enana blanca puede alcanzar temperaturas muy superiores a la de cualquier estrella convencional sin que en su interior exista ningún tipo de mecanismo que produzca energía.

Pues ya me dirás tú qué clase de estrella rara no produce su propio calor. 

Bueno, es que, para empezar, las enanas blancas no son estrellas propiamente dichas, sino los restos de otras estrellas que han agotado su combustible.
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Respuestas (LXII): ¿Qué consecuencias tendrá para la Tierra la explosión en forma de supernova de Betelgeuse, la estrella gigante?

Javier Asencio ha escuchado en el documental “Wonders of the Universe” que la estrella Betelgeuse podría entrar en fase de supernova cualquier día de estos y que, además, la explosión brillaría tanto en el cielo como la Luna llena o incluso el sol. No termina de fiarse de esta última afirmación, pero Javier me ha preguntado: ¿qué consecuencias tendría para la Tierra la explosión de Betelgeuse en forma de supernova?

Vamos a ver primero qué es una supernova para hacernos una idea de qué va el asunto.

En el núcleo de las estrellas tiene lugar una reacción de fusión nuclear constante. Entonces, ¿por qué las estrellas no explotan? Pues porque el peso del resto de la masa de la estrella, que presiona el núcleo desde todas direcciones debido al efecto de la gravedad, mantiene la explosión confinada en su centro. Por eso las estrellas tienen una forma esférica y no de… Bueno, forma de explosión.

Al principio de sus vidas, las estrellas brillan fusionando hidrógeno en sus núcleos para convertirlo en helio. Este proceso libera una cantidad tremenda de energía que eleva la temperatura del resto de la masa de la estrella hasta en una bola de gas incandescente (plasma, para los más quisquillosos) que está tan caliente que brilla con luz propia, igual que un trozo de hierro después de ser calentado por un soplete.

Pero las reservas de hidrógeno son limitadas y,  cuando se acaba, en el núcleo sólo queda helio en el que han estado transformándolo. Las estrellas de tamaño mediano, como nuestro sol, son incapaces de fusionar los átomos de helio en elementos más pesados para producir energía así que, por un instante, la reacción de fusión nuclear que da energía a la estrella se detiene y, sin la resistencia que ofrece la onda expansiva generada en el núcleo, el resto de la estrella se precipita hacia el núcleo de helio con todo su peso, comprimiéndolo. Al comprimirse, el núcleo se calienta y transfiere suficiente calor a sus alrededores como para la fusión de hidrógeno pueda empezar de nuevo en la capa que lo rodea.

Esta capa alrededor del núcleo inerte de helio tiene un volumen mayor que el núcleo original, por lo que produce más energía y, por tanto, una mayor temperatura. Cuando algo se calienta, se expande, así que este incremento en la cantidad de calor producido se traduce en la expansión de la estrella, que empieza a crecer hasta alcanzar un diámetro hasta 400 veces superior a su tamaño orignal. Por este motivo, pese a que el núcleo esté produciendo más energía que de costumbre, ésta tiene que repartirse por una superficie mayor. La superficie de la estrella empieza a enfriarse y adopta un tono rojizo o anaranjado. De ahí que estas estrellas hinchadas reciban el nombre de gigantes rojas.
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¿De dónde viene la materia?

 ¿De dónde salió toda la materia que nos compone a nosotros y todo lo que nos rodea? Se suele decir que somos “polvo de estrellas” lo que, en un sentido muy amplio, es correcto, pero no deja de ser una visión romántica que no puede sustituir la compleja historia real.

Así que he hecho una entrada muy larga para explicar el origen de la materia.

Disfrutad esta imagen agradable de una nube molecular, zona de formación de estrellas, porque hoy traigo texto para rato. Crédito: NASA/Hubble.

Primero, remontémonos al pasado. Pero no a cualquier punto al azar del pasado, sino al pasado máximo, el nacimiento del universo y el propio tiempo.
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Respuestas (XLVII): ¿Qué pasaría si Júpiter se convirtiera en una estrella?

Alguien bajo el seudónimo de Eb 243 me ha enviado la siguiente pregunta por e-mail: “si, como en la película 2010 odisea en el espacio, Júpiter se convirtiera en una estrella, ¿Cómo afectaría a la Tierra?”

Me ha gustado mucho esta pregunta. Empecemos.

Ío, una de las Lunas de Júpiter, captado frente al planeta por la sonda Cassini.

Las estrellas “funcionan” fusionando átomos de hidrógeno en su núcleo, convirtiéndolos en helio. La reacción libera una cantidad de energía enorme que calienta la masa de gas e, igual que un pedazo de metal se pone al rojo vivo al calentarse, la estrella empieza a brillar.

Pero hacen falta condiciones extremas para que esta reacción se lleve a cabo. En el núcleo de nuestro sol, por ejemplo, la fusión se desarrolla a entre 100.000 millones y 340.000 millones de atmósferas y genera temperaturas de 15.000.000ºC.
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¿Qué es el letargo solar?

Ya ha salido una nueva noticia alarmista, y esta vez de la mano de Actualidad RT, un portal de noticias que tiene ganas de que estalle la Tercera Guerra Mundial en cualquier momento. Como de aquí a los batallones de páginas pseudocientíficas sólo hay un paso (lo siento, RT, pero es el precio que tiene decirles lo que quieren oír), he preferido adelantarme antes de que se me inunde la bandeja de entrada con preguntas sobre el tema. El titular que me ha llamado la atención es:

Primero os dejo un breve resumen de la situación, muy bien explicada en este informe del GAME (Grupo Amateur de Meteorología Espacial):

El actual ciclo solar, el número 24, está siendo inusualmente tranquilo. La actividad solar ha disminuido un 46% respecto a otros ciclos y parece que la tendencia continuará de cara al siguiente, que además llegará con 4 años de retraso. Esto podría tener algún efecto en el clima terrestre.

Para saber qué está haciendo el sol en cualquier momento, podéis seguir al GAME en Facebook haciendo click aquí o visitar su página web.

Antes de llevarnos las manos a la cabeza, ¿A qué nos referimos con eso de actividad solar?

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Respuestas XXXVII: ¿En qué estado es más abundante la materia?

Hoy respondo a una pregunta de Miguel Albrecht, que ya mandó una consulta preguntando por qué algunas baterías se hinchan y explotan. Esta vez quiere saber cuál es el estado de la materia más abundante del universo. No problemo.

Un objeto sólido (peso de bronce) flotando sobre un líquido (mercurio) y rodeado de gas (aire). En realidad sólo es una excusa para colgar una foto del mercurio haciendo su magia. (Fuente)

La materia puede adoptar un montón de estados extraños cuando está sometida a condiciones muy inusuales, pero normalmente la encontramos en cuatro formas, según la temperatura y la presión a las que esté sometida: sólido, líquido, gas y plasma.

Estrellas gigantes

El Sol es tan grande que podrías meter 1.322.028 de Tierras dentro del él pero, a su vez, el interior de la estrella más grande conocida podría dar cabida a 2.808.336.365 soles. Hemos revisado varias veces el cálculo porque nos parecía una locura, pero todo está correcto. Parece que lo único que falla es nuestra capacidad de asimilación.

En el siguiente vídeo, el tamaño de nuestro sol comparado a las gigantescas Eta Carinae, Betelgeuse  y VY Canis Majoris.

www.youtube.com/watch?v=g4iD-9GSW-0

¿Qué son las supernovas?

Cuando uno escucha la palabra supernova le viene a la cabeza el concepto explosión loca en el espacio* pero, técnicamente, no es el caso. Una supernova es la culminación apoteósica de la vida de una estrella con una masa enorme, del orden de entre 8 y 250 veces la de nuestro sol.


Comparación del Sol y la estrella R136a1, 265 veces más masiva. Los colores nos los hemos inventado, sólo estamos mostrando la escala.

 

Aclararemos que, de por sí, una estrella ya es una explosión termonuclear de proporciones inimaginables en la que interviene tanta materia que su propia atracción gravitatoria la mantiene confinada en una esfera. O sea, que una supernova no puede ser la explosión de una explosión.

Así que hablemos de la vida de las estrellas.

Mientras le dura el combustible, la reacción de fusión nuclear en el centro de una estrella trata de empujar su masa hacia afuera, a la vez que la propia materia que compone el astro intenta comprimir el núcleo en dirección contraria. De esta manera, las estrellas se mantienen en equilibrio.

Pero, a medida que el combustible se agota, la explosión central va perdiendo fuerza y la masa que rodea el núcleo empieza a comprimir el núcleo estelar, ya que sigue empujando con la misma fuerza desde todas direcciones.

Cuando la estrella agota todo su combustible (para los que tienen idea del asunto, ha fusionado los elementos ligeros en elementos mucho más pesados “infusionables”, como el hierro), la explosión central se detiene repentinamente y la masa que la rodea libera todo su potencial compresivo contra el núcleo, porque ya no hay ninguna fuerza que la expulse hacia afuera.

Este proceso es muy violento.

¿Recordáis la entrada en la que  hablábamos de cómo en realidad los átomos estaban compuestos casi en su totalidad por espacio vacío (click aquí para leerla)? La compresión a la que queda sometida la materia en el centro de la estrella es tan grande que los átomos se descomponen y las partículas que constituyen los núcleos atómicos quedan sueltas, formando una sopa extremadamente densa de protones y neutrones.

De nuevo, no está a escala.

Este amasijo de protones y neutrones es tan denso que un dedal lleno del material pesaría 100 millones de toneladas.

Pero… ¿Cómo…? ¿Qué? :O

Los núcleos atómicos tienen una densidad del orden de 230.000.000.000.000.000 kilogramos por metro cúbico pero, como ocupan una fracción tan pequeña del átomo y el resto es espacio vacío (volvemos a mencionar esta entrada que deberíais leer), no lo notamos a nivel macroscópico. Si suprimimos todo el espacio vacío intermedio, los núcleos atómicos pueden entrar en contacto directo en grandes cantidades y es entonces cuando muestran su verdadera naturaleza.

Total, que una vez reducidos los átomos a su forma más elemental, la fuerza que es capaz de ejercer la estrella no es suficiente como para continuar con la compresión y el proceso se detiene repentinamente.

Pero, claro, toda la materia de la estrella se había precipitado hacia el núcleo en un instante, por lo que había cogido muchísimo impulso. Cuando esa masa da de lleno con el núcleo incompresible, se produce un efecto rebote de escalas cataclísmicas y todo el material sale despedido hacia el espacio a velocidades de hasta 30.000 kilómetros por segundo (un 10% de la velocidad de la luz). El proceso libera una cantidad tremenda de energía, y esto es lo que se llama una supernova.

Los restos de una supernova observados en 1572 por el astrónomo Tycho Brahe.

Lo que queda atrás son los restos extremadamente compactos del núcleo estelar, que variarán en forma según la masa original del astro: una estrella de neutrones (de unas cuantas decenas de kilómetros de radio, pero increíblemente densa) o, si la estrella es suficientemente grande como para comprimir el material más allá de la sopa de protones y neutrones, un agujero negro.

Ya habíamos hablado tanto de las estrellas de neutrones como de los agujeros negros en esta entrada y esta otra, así que damos el tema por zanjado.

Lo interesante es que otro monstruo puede emerger de todo este caos. Una de cada diez veces, durante la formación de una estrella de neutrones, algo sale mal y aparece lo que los astrónomos llaman un magnétar (del inglés, magnetic star), un cuerpo que posee campo magnético tan increíblemente potente que:

  • A 965 kilómetros de distancia, sería capaz de desgarrarte separando cada uno de los átomos que compone tu cuerpo.

O,

  • Si estuviera a medio camino entre la Tierra y la Luna, podría borrar los datos de todas las tarjetas de crédito del mundo.

Impresión artística de un magnétar (a nuestros telescopios les falta bastante para poder observarlos directamente).Crédito: apod.nasa.gov

No está muy claro aún qué determina si se formará una estrella de neutrones corriente o un magnétar pero se cree que, justo antes de colapsarse en una bola súper compacta, el material podría condensarse en un líquido extremadamente denso formado por protones, que en conjunto tendrían una gran carga eléctrica. Cuando un material cargado eléctricamente se desplaza, genera campos magnéticos (como explicábamos aquí) y, teniendo en cuenta de que estos monstruos giran sobre sí mismos alrededor de una vez por segundo, no debería extrañarnos el efecto de su magnetismo.

*Este concepto puede variar ligeramente de persona a persona.

¿Qué son las nebulosas planetarias?

¿Quién no ha visto alguna vez, paseando por internet, esta imagen descrita como “el ojo de Dios“?

El nombre oficial con el que fue bautizado este objeto tras su descubrimiento, por gente no condicionada por la religión, es “la nebulosa de la hélice“.

Se trata de una nebulosa planetaria, una nube de gas de forma curiosa que se encuentra a 700 años luz de la Tierra que mide 2.5 años luz de diámetro. Recordemos que un año luz equivale a 9.460.528.400.000 kilómetros o 9.46 billones de kilómetros.

Pese a lo espectacular que pueda resultar a primera vista, tampoco tiene nada de especial dentro de su categoría. Las nebulosas planetarias son algo bastante común y suelen tan llamativas que inspiran nombres estrafalarios, como por ejemplo la nebulosa del esquimal

Por su supuesto parecido a un esquimal encapuchado (puede variar según la droga que hayas tomado).

… O la nebulosa de la rodaja de limón.

La verdad es que  el parecido de esta no lo puedo poner en duda.

¿Y cuál es el mecanismo que permite la creación de patrones tan variopintos?

Como ya he explicado alguna vez, las estrellas brillan gracias a los procesos de fusión nuclear que se dan en el núcleo: la presión y la temperatura en su interior son tan grandes que los átomos pueden llegar a fusionarse para formar otros elementos, algo que sólo ocurre en condiciones extremas inimaginables. Esto, a su vez, libera una cantidad de energía enorme.

Una estrella de masa similar a la del sol está fusionando constantemente hidrógeno en su núcleo para convertirlo en helio. En otras palabras, el núcleo de una estrella es una explosión termonuclear constante, cuyas ondas expansivas están contenidas por las presión que ejerce sobre ella toda la masa que lo rodea.

Cuando el peso de la masa que compone las capas exteriores de la estrella, que tienden a presionar hacia el centro por efecto de la gravedad, iguala la fuerza con la que el núcleo “explota” constantemente, entonces la estrella está en equilibrio y, mientras le queden reservas de hidrógeno, podrá continuar convirtiéndolo en helio, lo que liberará una gran cantidad de calor que hará brillar el gas de la estrella para que nos pongamos morenos.

Pero las reservas son limitadas.

Cuando empieza a agostarse el hidrógeno, el núcleo va quedándose gradualmente sin material que fusionar y va perdiendo potencia, por lo que no es capaz de contrarrestar la presión que ejerce sobre él peso de la estrella. Toda la masa de las capas externas comprime el núcleo debilitado hasta llega un punto en que la presión es suficiente para que le helio empiece a fusionarse para generar elementos más pesados, como el oxígeno y el carbono, reavivando la explosión.

Algo crucial ocurre durante este proceso. Mientras la estrella fusionaba hidrógeno en helio, la temperatura del núcleo de la estrella rondaba los 15.000.000ºC pero, cuando el núcleo se comprime tanto y empieza a fusionar el helio, su temperatura llega hasta 100.000.000ºC.

Cuando las cosas se calientan, se expanden, y las estrellas no son una excepción. Impulsadas por el calor del núcleo, las capas externas de la estrella empiezan a separarse y todo el conjunto empieza a crecer hasta llegar al punto que la estrella puede expandirse hasta alcanzar 70 veces su tamaño original.

En el centro de toda esta masa en expansión queda el núcleo, una débil esfera blanca de carbono y oxígeno que sigue fusionando material lentamente y que no tiene suficiente masa como para ejercer la fuerza gravitatoria necesaria para mantener las capas exteriores unidas. El núcleo que queda pasa a ser un nuevo tipo de estrella muy densa, una enana blanca, de tamaño similar a un planeta, mientras a su alrededor su antiguo “cuerpo” va difuminándose por el espacio.

Por suerte o por desgracia, tan sólo hay unas 1.000  nebulosas planetarias catalogadas, no porque sean un fenómeno extraño o difícil de encontrar si no porque, entre 10.000 y 50.000 años después de que las capas de la estrella empiecen a difuminarse por el espacio, el gas termina tan disperso que es imposible observarlo.

Oye, y eso de que se llame nebulosa planetaria, ¿Tiene algo que ver con la formación de planetas? :S

No, la verdad es que no. El nombre hace referencia a la forma de anillo en la que queda dispuesta el gas, similar al camino que sigue la órbita de un planeta.