26 de Sep de 2021

Ciencia

Sinfonía de gigantes rojas en el cielo cortesía de la misión TESS

TESS principalmente busca mundos más allá de nuestro sistema solar, también conocidos como exoplanetas

Gigantes rojas
Imagen cedida por la Nasa.Sebastian Carrasco

Usando observaciones del cazador de exoplaneta TESS de la NASA, astrónomos han identificado una colección sin precedentes de estrellas gigantes rojas pulsantes en todo el cielo.

Estas estrellas, cuyos ritmos surgen de ondas sonoras internas, proporcionan los acordes iniciales de una exploración sinfónica de nuestro vecindario galáctico, según explica la NASA en un comunicado.

TESS principalmente busca mundos más allá de nuestro sistema solar, también conocidos como exoplanetas. Pero sus medidas sensibles de brillo estelar hacen que TESS sea ideal para estudiar las oscilaciones estelares, un área de investigación llamada astrosismología.

"Nuestro resultado inicial, utilizando medidas estelares durante los primeros dos años de TESS, muestra que podemos determinar las masas y tamaños de estos gigantes oscilantes con una precisión que solo mejorará a medida que avanza TESS", dijo Marc Hon, miembro del Hubble de la NASA en la Universidad de Hawai. "Lo que es realmente incomparable aquí es que la amplia cobertura de TESS nos permite realizar estas mediciones de manera uniforme en casi todo el cielo".

Hon presentó la investigación durante la segunda Conferencia de Ciencias TESS, un evento apoyado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge, que se llevó a cabo virtualmente del 2 al 6 de agosto, donde los científicos discuten todos los aspectos de la misión. El Astrophysical Journal ha aceptado un artículo que describe los hallazgos, dirigido por Hon.

Las ondas sonoras que viajan a través de cualquier objeto (una cuerda de guitarra, un tubo de órgano o el interior de la Tierra y el Sol) pueden reflejarse e interactuar, reforzando algunas ondas y anulando otras. Esto puede resultar en un movimiento ordenado llamado ondas estacionarias, que crean los tonos en los instrumentos musicales.

Justo debajo de la superficie de estrellas como el Sol, el gas caliente se eleva, se enfría y luego se hunde, donde se calienta nuevamente, como una olla con agua hirviendo en una estufa caliente. Este movimiento produce ondas de presión cambiante, ondas sonoras, que interactúan, provocando en última instancia oscilaciones estables con períodos de unos pocos minutos que producen cambios sutiles de brillo. Para el Sol, estas variaciones ascienden a unas pocas partes por millón. Las estrellas gigantes con masas similares a las del Sol pulsan mucho más lentamente y los correspondientes cambios de brillo pueden ser cientos de veces mayores.

Las oscilaciones en el Sol se observaron por primera vez en la década de 1960. El telescopio espacial de Convección, Rotación y Tránsitos planetarios (CoRoT, por sus siglas en inglés), que operó de 2006 a 2013, detectó oscilaciones de tipo solar en miles de estrellas. Las misiones Kepler y K2 de la NASA, que inspeccionaron el cielo de 2009 a 2018, encontraron decenas de miles de gigantes oscilantes. Ahora TESS amplía este número otras 10 veces.

"Con una muestra tan grande, los gigantes que pueden ocurrir solo el 1% de las veces se vuelven bastante comunes", dijo el coautor Jamie Tayar, miembro del Hubble de la Universidad de Hawai. "Ahora podemos empezar a pensar en encontrar ejemplos aún más raros".

Las diferencias físicas entre un violonchelo y un violín producen sus voces distintivas. De manera similar, las oscilaciones estelares que observan los astrónomos dependen de la estructura, masa y tamaño interior de cada estrella. Esto significa que la astrosismología puede ayudar a determinar propiedades fundamentales para un gran número de estrellas con precisiones que no se pueden lograr de ninguna otra manera.

Cuando las estrellas similares en masa al Sol evolucionan a gigantes rojas, la penúltima fase de sus vidas estelares, sus capas externas se expanden 10 veces o más. Estas vastas envolturas gaseosas pulsan con períodos más largos y amplitudes más grandes, lo que significa que sus oscilaciones se pueden observar en estrellas más débiles y numerosas.

TESS monitorea grandes franjas del cielo durante aproximadamente un mes a la vez utilizando sus cuatro cámaras. Durante su misión principal de dos años, TESS cubrió aproximadamente el 75% del cielo, cada cámara capturando una imagen completa que mide 24 por 24 grados cada 30 minutos. A mediados de 2020, las cámaras comenzaron a recopilar estas imágenes a un ritmo aún más rápido, cada 10 minutos.

Las imágenes se utilizaron para desarrollar curvas de luz para casi 24 millones de estrellas durante 27 días, el tiempo que TESS observa cada franja del cielo. Para examinar esta inmensa acumulación de medidas, Hon y sus colegas enseñaron a una computadora a reconocer gigantes pulsantes. El equipo utilizó el aprendizaje automático, una forma de inteligencia artificial que entrena a las computadoras para tomar decisiones basadas en patrones generales sin programarlos explícitamente.

Para entrenar el sistema, el equipo utilizó curvas de luz de Kepler para más de 150.000 estrellas, de las cuales unas 20.000 eran gigantes rojas oscilantes. Cuando la red neuronal terminó de procesar todos los datos de TESS, había identificado un coro de 158.505 gigantes pulsantes.

A continuación, el equipo encontró distancias para cada gigante utilizando datos de la misión Gaia de la ESA (la Agencia Espacial Europea) y trazó las masas de estas estrellas en el cielo. Las estrellas más masivas que el Sol evolucionan más rápido y se convierten en gigantes a edades más tempranas. Una predicción fundamental en la astronomía galáctica es que las estrellas más jóvenes y de mayor masa deberían estar más cerca del plano de la galaxia, que está marcado por la alta densidad de estrellas que crean la banda brillante.

"Nuestro mapa demuestra por primera vez empíricamente que este es el caso en casi todo el cielo", dijo el coautor Daniel Huber, profesor asistente de astronomía en la Universidad de Hawai. "Con la ayuda de Gaia, TESS ahora nos ha dado entradas para un concierto de gigante roja en el cielo".