13 de octubre de 2019
13.10.2019
GAVETA de astrofísica

Polvo somos y en polvo nos convertiremos, pero... ¿cómo se origina el polvo en el espacio?

Cada dos semanas, ciencia puntera hecha en Canarias o por canarios en todo el mundo

13.10.2019 | 00:25
Imagen artística de una nebulosa con estructuras moleculares de hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAHs) superpuestos.

He de confesar que cada vez que menciono algo sobre el polvo interestelar entre mis amigos, el cachondeo es más o menos generalizado pero, entre broma y broma, trato de convencerles de que el polvo es un ingrediente fundamental en la formación de nuevas estrellas y, curiosamente, se forma principalmente en los momentos finales de sus vidas.

En particular, en la Vía Láctea la fuente principal de polvo son estrellas con masas menores a ocho veces la masa de nuestro Sol que están en una de las fases finales de su vida que los astrónomos conocemos como fase de la rama asintótica de gigantes. En esta fase la estrella ha incrementado su tamaño significativamente y la inestabilidad de las reacciones en su núcleo y en diferentes capas de la estrella la hace "pulsar". Así, al final de esta etapa, estas estrellas acabarán expulsando al medio interestelar sus capas más externas. Si lo que queda de la estrella es lo bastante caliente y emite fotones con la energía suficiente, iluminará el gas expulsado de su envoltura, dando lugar a unos de los objetos más bellos del firmamento: las nebulosas planetarias.

En esta fase, por la que pasan todas las estrellas de este tipo (la inmensa mayoría de las estrellas de nuestra Galaxia), el núcleo de la estrella se ha contraído tanto y soporta tanta presión que se alcanzan temperaturas suficientes para fusionar helio en carbono. En contraste con las altas temperaturas que se alcanzan en el núcleo de estas estrellas, su envoltura se ha expandido tanto que está bastante fría, dándose las condiciones para que se condensen y crezcan granos de polvo que serán expulsados al medio interestelar en un denso y lento viento estelar.

Los procesos de mezclado que ocurren en las atmósferas de estas estrellas pueden arrastrar material desde el interior hasta la envoltura estelar. Según su composición relativa las estrellas son "ricas en carbono", si hay más carbono que oxígeno en la envoltura, o "ricas en oxígeno", si sucede lo contrario. Esa composición relativa condiciona el tipo de polvo que se forma en la envoltura de estas estrellas. Si el carbono es más abundante que el oxígeno, se forman grafitos (sí, las moléculas de tu lápiz se pudieron formar en una estrella), carburos de silicio y otras moléculas ricas en carbono como los hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAH de sus siglas en inglés) o los fulerenos, moléculas puras de carbono que pueden tener la forma de un balón de fútbol. En cambio, si el oxígeno predomina, se forman silicatos y óxidos.

Hasta hace poco se pensaba que estos compuestos no podían coexistir y que, si se detectaba polvo rico en oxígeno, no se podía producir polvo rico en carbono, y viceversa. En cambio, observaciones en el rango infrarrojo en nebulosas planetarias, obtenidas sobre todo con el telescopio espacial Spitzer, revelaron que en muchos de estos objetos se detectaban simultáneamente moléculas ricas en oxígeno y otras ricas en carbono. A estos objetos se les llamó nebulosas planetarias con doble química.

Para explicar la coexistencia de ambos tipos de polvo se han propuesto varias ideas, pero ahora mismo solo dos de ellas son más aceptadas por la comunidad científica. En la primera de ellas (la llamaremos hipótesis 1) se propone que una reacción nuclear muy energética, denominada pulso térmico tardío, en la que se produce una cantidad importante de carbono, podría ocurrir en las últimas fases de vida de las estrellas "ricas en oxígeno" cuando ya se ha formado una cantidad importante de polvo. En ese caso, la química de la atmósfera estelar (y la de la nebulosa planetaria que se expulsaría posteriormente) cambiaría y pasaría a ser rica en carbono, permitiendo que se pudieran formar nuevos granos de polvo, pero ahora con átomos de carbono.

La otra posibilidad (hipótesis 2) plantea que en ambientes ricos en oxígeno se podría disponer de átomos de carbono para formar polvo si hubiera un disco denso de material rico en monóxido de carbono (CO). La radiación ultravioleta de la estrella podría "romper" la molécula de CO, proporcionando carbono para formar nuevos granos de polvo. En este caso el gas que veríamos en la nebulosa planetaria sería rico en oxígeno pues no habría un cambio substancial en la química de la estrella.

En el grupo del IAC de nebulosas planetarias hemos propuesto una nueva técnica para testar estos escenarios. Esta técnica consiste en medir el cociente de carbono sobre oxígeno usando un tipo de líneas espectrales muy débiles que solo se detectan en espectros muy profundos obtenidos con grandes telescopios. Esta técnica tiene la ventaja de que este tipo de líneas de carbono y oxígeno se pueden observar simultáneamente en el espectro visible de nebulosas planetarias.

Pero claro, no siempre un experimento de este tipo da resultados concluyentes. Los estudios que hemos realizado hasta ahora indican que la mayoría de las nebulosas analizadas son ricas en oxígeno (hipótesis 2) y solo unas pocas son ricas en carbono (hipótesis 1). Este resultado abre la posibilidad de que ambos caminos sean factibles para formar los rasgos observados de doble química en el polvo. Sin embargo, la hipótesis 2 necesita de la existencia de un disco muy denso con unas condiciones que faciliten la disociación de la molécula de CO, pero este disco no se ha observado en muchos de los objetos analizados, por lo que es posible que existan otras condiciones que permitan que haya átomos de oxígeno y carbono disponibles para formar los dos tipos de polvo en un mismo objeto que debemos explorar en el futuro.

El lanzamiento del telescopio espacial James Webb, previsto para marzo de 2021, tendrá un papel fundamental en el avance de este campo. Es un telescopio de cuatro metros que nos permitirá observar en el rango infrarrojo con un detalle nunca antes alcanzado. Esperemos que en los próximos años pueda contarles a mis colegas fascinantes descubrimientos sobre el polvo interestelar, aunque mucho me temo que no me libraré de sus bromas.


Jorge García Rojas
es un astrofísico lagunero. Tras estudiar Ciencias Físicas, especialidad de Astrofísica, en la Universidad de La Laguna, estuvo unos años dando clases en centros de secundaria de Tenerife y Lanzarote, hasta que decidió retomar su primer amor y obtuvo el título de Doctor en Astrofísica por la Universidad de La Laguna. Después pasó unos años en México y regresó a Canarias como astrónomo de soporte de los Observatorios del Teide y del Roque de los Muchachos. Actualmente es investigador Severo Ochoa en la línea de "Estrellas y Medio Interestelar" en el Instituto de Astrofísica de Canarias.
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