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¿Cómo sabemos la edad de la Vía Láctea?

by Jordi Pereyra

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)

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Respuestas (LXII): ¿Qué consecuencias tendrá para la Tierra la explosión en forma de supernova de Betelgeuse, la estrella gigante?

by Jordi Pereyra

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?

by Jordi Pereyra

 ¿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?

by Jordi Pereyra

Alguien bajo el seudónimo de Eb 243 me ha enviado un e-mail con la siguiente cuestión: si, como en la película «2001: Odisea en el espacio», Júpiter se convirtiera en una estrella, ¿cómo afectaría a la Tierra?

Y me ha gustado mucho esta pregunta, así que 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 y convirtiéndolos en helio (como comentaba en esta otra entrada). La reacción libera una cantidad tremenda de energía, calentando muchísimo el gas que compone la estrella e, igual que un pedazo de metal se pone al rojo vivo al calentarse, la estrella empieza a brillar.

(Fuente)

Pero fusionar dos átomos de hidrógeno no es nada fácil: para que dos átomos de hidrógeno se puedan combinar entre ellos para formar helio, tienen que encontrase en el núcleo de una estrella, sometidos a unas condiciones de presión y temperatura extremas. En el núcleo del sol, por ejemplo, la fusión se desarrolla a una presión de entre 100.000 millones y 340.000 millones de atmósferas y genera temperaturas de unos 15 millones de grados centígrados.

Estas condiciones son un resultado directo de la propia masa de la estrella: cuanto más masiva es una estrella, más fuerte es su campo gravitatorio y, por tanto, mayor es la presión en su núcleo. Como existe una presión mínima necesaria para desencadenar las reacciones de fusión nuclear, eso significa que existe un límite de masa que marca cuándo una estrella tiene la masa suficiente como para que en su núcleo tenga lugar la fusión nuclear. Y, por debajo de este límite, la fusión nuclear no ocurre, por supuesto.

La estrella más pequeña conocida es la enana roja AB Doradus C, con una masa que equivale a 0,089 veces la de nuestro sol. Pero, aunque lo parezca, esta cifra no es pequeña: el sol es inmenso, así que esta pequeña estrella contiene, en realidad, una masa 93 veces mayor que la de Júpiter.

AB Doradus C es el punto que orbita alrededor de la estrella principal del sistema, AB Doradus A. (Fuente)

Esta estrella se encuentra cerca del límite de la fusión nuclear: la masa mínima teórica para que una nube de gas se «encienda» y se convierta en una estrella es de unas 0,072 masas solares… O, lo que es lo mismo, una masa 75 veces mayor que la de Júpiter (que ronda las 0,00095499 masas solares). Por debajo de este valor, no hay suficiente masa ejerciendo presión sobre el núcleo como para poder forzar los átomos de hidrógeno a que se combinen entre sí.

Así que, a menos que otros 74 «júpiteres» choquen contra nuestro Júpiter actual y formen un cuerpo aún más grande, en nuestro sistema solar no va a aparecer una segunda estrella. Y, en este escenario en el que 74 gigantes gaseosos entre en nuestro sistema solar, tendríamos mayores problemas de los que preocuparnos que la posible estrella que pudieran formar tras su colisión.

¿Y no existe alguna otra cosa que brille y no sea tan grande?

Hay una clase de objetos con masas de entre 0,013 y 0,072 masas solares que, aunque no pueden fusionar átomos de hidrógeno, la presión en su núcleo es suficiente para fusionar deuterio (del que hablaba en esta otra entrada). Este proceso proceso requiere condiciones de presión y temperatura menos extremas, pero también desprende una cantidad mucho menor de energía.

A éstos cuerpos se les llama enanas marrones y, aunque se las suele tratar de estrellas, en realidad son objetos sub-estelares, estrellas fallidas que no tienen suficiente masa (y por tanto no se calientan lo suficiente) como para brillar más allá del color rojo apagado en el espectro visible. Aún así, Júpiter necesitaría tener como mínimo 13 veces su masa actual para que su núcleo estuviera sometido a la presión suficiente como para fusionar deuterio y convertirse en una enana marrón.

Una comparación entre los tamaños del sol, una estrella enana, una enana marrón, Júpiter y la Tierra. (Fuente)

O sea, que, se mire como se mire, es imposible que Júpiter empiece a brillar.

Vale, un inciso… ¿Si hablamos de cosas que tienen varias veces la masa de Júpiter, cómo es que parecen tan pequeños en comparación? ¿Algo con 13 veces la masa de Júpiter no debería ser muchísimo más grande?

Recordemos que, aunque veamos las cosas en dos dimensiones en las fotos, hablamos de cuerpos tridimensionales. Cuando el volumen crece en tres dimensiones, el tamaño aumenta en proporción a cada una de ellas. Si, por ejemplo, tenemos una caja de 2x2x2 metros, u 8 metros cúbicos, y duplicamos su tamaño, obtenemos una caja de 4x4x4 metros, o 64 metros cúbicos cúbicos.

Un cuerpo que tenga 13 veces la masa de Júpiter (suponiendo su misma densidad), por ejemplo, tendrá apenas 2,35 veces su diámetro. Encima, el material que compone una enana marrón está mucho más compactado que el de un gigante gaseoso, así que una mayor cantidad de materia puede concentrarse en un espacio más pequeño a medida que un cuerpo celeste crece y, por tanto, el diámetro de un cuerpo muy masivo puede ser aún menor de lo podría parece a primera vista.

Representación artística de una enana marrón. (Fuente)

Captado, pero aún no has respondido bien la pregunta de don Eb 243, ¿cómo nos afectaría que Júpiter se convirtiera en una estrella?

Como hemos visto que Júpiter no va a encenderse así porque sí, veamos qué ocurriría si de repente empezara a brillar y que, por arte de magia, su masa no cambiara.

AB Doradus C, la estrella más pequeña descubierta, tiene un brillo 1.000 veces menor que el del sol.

Si Júpiter, que está 4 veces más lejos de nosotros que el sol en su punto más cercano, brillara con esa intensidad, la energía que recibiríamos de él durante su posición de máxima proximidad equivaldría a un 0,02% de la que recibimos del sol. Debido a la órbita elíptica que sigue la Tierra alrededor del sol, la cantidad de energía que recibimos varía un 6,9% a lo largo del año, así que podemos considerar que este 0,02% extra ocasional no tendría un efecto drástico sobre el clima.

Aún así, en su punto más cercano a la Tierra, Júpiter aparecería en el cielo como un objeto extremadamente luminoso, 26,85 veces más brillante que la Luna llena, lo que nos permitiría leer tranquilamente por la noche bajo su brillo rojizo e incluso verlo de día. Aún así no le haría la competencia al sol porque, en comparación, el sol es 400.000 veces más brillante que la Luna llena.

O sea que, a parte de unos cuantos animales muy confusos y problemas de sueño, no nos afectaría mucho que Júpiter brillara tanto como una estrella pequeña.

Por otro lado, si Júpiter brillara como una enana marrón, su brillo nos afectaría aún menos.

Las enanas marrones son extremadamente débiles y emiten la mayor parte de su radiación cerca del espectro infrarrojo, por lo que la mayoría de «luz» que emiten ni siquiera podemos verla. El color de las estrellas enanas marrones no es el que indica su nombre. Dependiendo de su temperatura superficial (entre los 120ºC y 2.700ºC) y su composición, su coloración puede variar. Por debajo de los 725ºC ni siquiera emitirán luz visible, pero las más calientes probablemente brillan con una tonalidad rojiza o anaranjada bastante apagada.

Más o menos este color.

Se considera que las enanas marrones, por lo general, tienen un brillo cien mil veces más débil que el del sol. Puesta en el lugar de Júpiter, una enana marrón de estas características brillaría, desde nuestro punto de vista, 3.76 veces menos que la luna llena, lo que lo convertiría en el objeto más brillante del cielo después del sol y la Luna, pero no pasaría de ser un punto rojo bonito en el cielo.

En cualquier caso, la moraleja es que no os preocupéis porque Júpiter no se va a convertir en una estrella. Y, si su masa aumentara lo suficiente como para que empezare a brillar, lo realmente preocupante serían las perturbaciones gravitatorias que sufrirían las órbitas del resto del sistema solar, siendo bastante probable que la Tierra terminara estrellándose contra el sol o siendo eyectada hacia el sistema solar exterior.

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