26 mar 2014

Agrupaciones estelares: cúmulos globulares y galácticos

Un cúmulo de estrellas es una agrupación física que se origina por atracción gravitatoria a partir de una misma nube de formación estelar primitiva. Estos cúmulos resultan ser de gran importancia para comprender la evolución estelar. Entre otros, aportan datos acerca de uno de los parámetros difíciles de medir en las estrellas: su edad. Es altamente probable que las estrellas que vemos hoy agrupadas en cúmulos han estado siempre juntas desde su formación. De esta manera se puede afirmar que todas tienen aproximadamente la misma edad. De forma que aunque no sea posible por diversos motivos estimar la edad de una estrella en particular dentro de un cúmulo, sí se puede afirmar que todas las diferencias que se aprecian en las estrellas del cúmulo no se deben a diferencias en edad. Por lo tanto, al estudiar las estrellas de un cúmulo se elimina una de las variables desconocidas que es la mencionada edad estelar.

Cúmulo globular M80, uno de los más densos que se conocen.
Crédito: NASA, The Hubble Heritage Team, STScI, AURA

Los cúmulos estelares se clasifican en dos grandes grupos: Los cúmulos globulares y los cúmulos abiertos o galácticos. 

Los cúmulos globulares son grandes, tanto en volumen como en número de estrellas, pudiendo llegar a tener cientos de miles de estrellas relativamente juntas entre sí. Algunos poseen tantas estrellas en su parte central (su forma aproximada es esférica) que parecen bolas luminosas cuyas estrellas en su núcleo parecen formar una sola masa compacta.
Los cúmulos abiertos sólo tienen algunos pocos cientos de estrellas y sus separaciones son más espaciadas que en los globulares. No presentan morfología esférica y es fácil distinguir sus estrellas individuales.
Existen diferencias algo más sutiles entre estos dos tipos de agrupaciones estelares. Los cúmulos abiertos contienen generalmente mucho gas y polvo interestelar, mientras que en los cúmulos globulares hay ausencia de gas y polvo. Las estrellas más brillantes de los cúmulos globulares son rojas, grandes y frías, y en los cúmulos abiertos suelen ser azules, pequeñas y calientes. Ampliaremos acerca de estas nociones más abajo, principalmente con la ayuda de los diagramas Hertzsprung Russell.

Diferencias en cuanto a la ubicación galáctica

Cuando los astrónomos observaron por primera vez la presencia de cúmulos, descubrieron que los dos tipos se diferencian bastante en cuanto a su localización en la galaxia. Los varios miles de cúmulos abiertos se hallan en los brazos espirales y tienen mucho en común con estos en cuanto a composición de gas, polvo y tipos espectrales de las estrellas. Los cúmulos globulares parecen ser mucho menos numerosos (se conocen alrededor de 150) y se congregan en torno del núcleo galáctico a distancias variables, desde unos 100 kpc (kiloparsecs, 1pc = 3,26 AL) hasta algunos kpc o fracciones de kpc. También los cúmulos globulares tienen ciertas similitudes con la composición estelar del núcleo galáctico.

Las Pleyades del sur (IC 2602), cúmulo abierto en la constelación de Carina.
Crédito: Roberto Mura at Italian Wikipedia
Dada la ubicación temporaria del Sol dentro de uno de los brazos espirales y bastante retirado del núcleo de la galaxia, los cúmulos globulares se encuentran todos aproximadamente en una región del cielo.
Las similitudes de los cúmulos abiertos con los brazos espirales y los cúmulos globulares con el núcleo de la galaxia indican que las estrellas que contienen pertenecen a diferentes familias. Si se construye un diagrama HR para ambas agrupaciones estelares se descubre que efectivamente las estrellas presentan diferencias significativas. Dado que la variable edad no interviene como factor determinante para las diferencias estelares dentro de un cúmulo, el diagrama HR de las estrellas del cúmulo puede ser comparado con el de las estrellas de campo (las que no pertenecen a cúmulos y que pueden tener cualquier edad) y ver sus diferencias. En la imagen inferior se ve el Diagrama HR para estrellas de campo.

Diagrama de Hertzsprung Russell. Imagen del autor.

Si se compara el diagrama HR de un cúmulo abierto arbitrario con el diagrama HR de las estrellas de campo que habitan en los brazos espirales, se descubre que tienen una semejanza absoluta.

Sin embargo, el diagrama HR de un cúmulo globular típico se diferencia muy claramente a primera vista. La secuencia principal es mucho más corta, abarcando aproximadamente desde la clasificación espectral M hasta la F5. Presenta además un hueco en la parte superior (en la parte de las estrellas azules y brillantes), denominado hueco de Hertzsprung. De manera que las estrellas de un cúmulo globular son o bien pequeñas rojas o amarillas, o gigantes y supergigantes rojas. Al tener la secuencia principal tan estrecha, resulta difícil distinguirla aunque sí se observa cómo se curva hacia la parte de las gigantes rojas y sube hacia la zona de las supergigantes. Desde la región de las gigantes rojas, otra banda se desvía hacia la derecha mientras sale de la parte superior del la serie principal, y se dirige horizontalmente hacia las gigantes rojas. Esta rama está formada por estrellas bastante brillantes (todas del mismo brillo pero diferente color). En medio de este grupo están las estrellas variables (con períodos de días a menos de un día) denominadas RR Lyrae. El diagrama HR del núcleo galáctico se parece a este de los cúmulos globulares hasta donde se sabe, pues es muy difícil obtener datos sobre las estrellas del núcleo.

Diagrama Hertzsprung Russell para los cúmulos de diferentes edades

El diagrama HR de un cúmulo varía con su edad. Cuanto más joven es el cúmulo más se parece su diagrama HR al de las estrellas de los brazos espirales. A medida que envejece, se comienza a diferenciar hasta llegar al caso descripto más arriba. En las imágenes inferiores se diferencian cuatro diagramas HR de cúmulos de diferentes edades. A medida que se desciende en los diagramas se retrocede en el tiempo. El primero muestra un cúmulo globular de aproximadamente 10 mil millones de años, muy antiguo y similar a los muchos que se observan en la Vía Láctea orbitando el núcleo. El último, muestra el diagrama HR para un cúmulo muy joven, de 100 millones de años, similar al de los cúmulos abiertos que se hallan en los brazos espirales de la galaxia.

Diagrama HR de un cúmulo globular típico. Los mismos se supone que son
muy antiguos y se crearon al mismo tiempo que las galaxias. Imagen del autor
A medida que una estrella envejece y agota su combustible nuclear de hidrógeno, comienza a fusionar en una capa inmediata superior. La fusión de esta capa que recubre al núcleo hace que la estrella se expanda convirtiéndose en gigante roja (la temperatura superficial disminuye hasta colocarla en los grupos espectrales K y M.

Disgrama HR para un cúmulo de edad media de 5 mil millones de años.
La secuencia principal ya presenta el denominado hueco de Hertzsprung
en la zona de las estrellas azules, las cuales ya han agotado su combustible
nuclear y están ausentes. Imagen del autor.

Si las estrellas se encuentran en un cúmulo, las primeras estrellas en convertirse en supergigantes rojas son aquellas que poseen las mayores masas. Una estrella consume su combustible nuclear más rápido cuanto mayor masa posea. Las estrellas muy masivas, las que se hallan en la parte superior de la secuencia principal, consumen su hidrógeno nuclear en tan solo una decena de millones de años. Luego, a medida que el cúmulo envejece más y más estrellas agotan sus reservas nucleares y salen de la secuencia principal por la parte superior, hacia la zona de las gigantes. De esta manera, cuantos más años pasan, la secuencia principal de un cúmulo se acorta hacia la zona inferior del diagrama HR y la región de las gigantes y supergigantes rojas aumenta.

Diagrama HR de un cúmulo joven, de 800 millones de años. Sólo las
estrellas más masivas han abandonado la serie principal migrando hacia
la zona de las supergigantes rojas. Imagen del autor.
Cuando los cúmulos se hacen mucho más viejos, comienzan a aparecer los remanentes de estrellas denominados enanas blancas. Estos son los antiguos núcleos estelares formados por materia degenerada (electrones) y cuya masa está por debajo del límite de Chabdrasekhar.
El diagrama HR de un cúmulo abierto, como podría ser el de las Pleyades, se parece mucho al presentado en el esquema inferior perteneciente a una edad de aproximadamente 100 millones de años. Sólo que la parte inferior del diagrama, puede partir del tipo espectral K o superior. También, cuando el cúmulo es muy joven la parte inferior del diagrama, la que corresponde a los tipos espectrales K y M puede estar desplazada hacia la zona de las subgigantes.

Diagrama HR de un cúmulo muy joven, recién formado. Todas las estrellas
se encuentran en la secuencia principal. Este sería el caso de un cúmulo
abierto como el de las Pléyades (M41). Imagen del autor.

¿Cómo sería la vista desde un hipotético planeta orbitando a una estrella de un cúmulo?

Si el planeta orbitara a una estrella de un cúmulo globular, seguramente el día sería casi tan brillante como la noche. Dada la cercanía de las entrellas del cúmulo, unidas todas gravitatoriamente, habría en el cielo muchas estrellas a distancias menores que 0,1 años luz. De manera que sería común ver cientos de estrellas de magnitudes cercanas a la de la luna llena.
Si el planeta estuviese en un cúmulo abierto, sería un planeta recién formado a partir del disco protoplanetario de la estrella y estaría mezclado con la nube de gas y polvo que dio origen a todas las estrellas del cúmulo. Aquí también la noche sería muy brillante, dado que el gas y el polvo iluminado por las estrellas del cúmulo reflejaría mucha de esa luz hacia el planeta. En la próxima entrada exploraremos con mucho más detalle estas especulaciones y nos apoyaremos con algunas ecuaciones y animaciones que avalen estas suposiciones.

Por Mariano Miguel Lanzi

Fuentes:
"Cúmulos globulares y formación de galaxias" Dr. Juan Carlos Forte
"Catalog of parameters for milky way globular clusters: The database". William E. Harris. December 2010.
Globular Clusters Tell Tale of Star Formation in Nearby Galaxy Metropolis

Agradezco al Dr. Juan Carlos Forte por la valiosa información aportada vía correos electrónicos. Aunque cualquier error en este artículo corre por mi exclusiva cuenta.

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