Trabajando en el límite: las estrellas menos masivas, las enanas marrones más frías y los planetas extrasolares

 
Entrevista con Adam Burgasser (Universidad de California San Diego)
“Probablemente hay más de 50 mil millones de enanas marrones en nuestra galaxia. Hasta ahora hemos catalogado ¡sólo un par de miles!”

Por Nayra Rodríguez Eugenio (IAC)

 

Las enanas marrones son objetos subestelares, con masas entre las de las estrellas y las de los planetas. Aunque su existencia fue teorizada en los años 60 del siglo pasado, el descubrimiento de las primeras enanas marrones se produjo hace tan sólo unos 20 años. Estos objetos débiles y esquivos son muy abundantes, representando entre 1/6 y 1/2 de todas las estrellas de nuestra galaxia.

Adam Burgasser, profesor del Departamento de Física de la Universidad de California en San Diego, es uno de los expertos mundiales en el campo de los objetos subestelares. De hecho, sus investigaciones sobre las enanas marrones más frías condujo a la designación de una nueva clase espectral de estrellas, las enanas T, y también al descubrimiento de las primeras subenanas de tipo L. Está particularmente interesado en la caracterización y la comprensión de las atmósferas de enanas de tipo L, T e Y, así como la búsqueda de sistemas múltiples, el estudio de la actividad magnética y las medidas estadísticas de las poblaciones. 

Adam Burgasser se encuentra en el IAC como parte del Programa de Visitantes Severo Ochoa-CEI Canarias Campus Atlántico Tricontinental, una iniciativa que trata de incrementar la colaboración entre el personal del IAC y la Universidad de La Laguna e investigadores de prestigio de otras instituciones científicas punteras.

 

¿Hay un límite claro entre las enanas marrones y los planetas? ¿O se trata más bien de una transición suave entre ellos?

Creo que tratamos de forzar un límite entre estas clases porque "planeta" es una palabra que hemos estado usando durante miles de años. La utilizamos para describir algo muy específico, las "estrellas errantes", que originalmente eran sólo Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno. Hay una gran connotación cultural, mitológica y religiosa asociada a esa palabra, y no menos importante es el hecho de que vivimos en un planeta. En los últimos 20 años hemos encontrado miles de nuevos objetos que pueden o no ser como nuestros planetas y estamos luchando para adaptar esta palabra. Esta también es la razón por la que la "degradación" de Plutón hace varios años tuvo tanto interés público. Creo que es el instinto humano de organizar el mundo a nuestro alrededor lo que nos motiva a dibujar una línea firme entre planetas y enanas marrones.

En la actualidad, los astrónomos utilizan varias definiciones diferentes para separar los planetas de las enanas marrones: por su física interna (una enana marrón quema deuterio -un raro isótopo del hidrógeno-, un planeta no quema nada), su ubicación (un planeta orbita alrededor de una estrella, una enana marrón puede existir por sí sola), o alguna noción de su formación (un planeta se forma en un disco de restos circumestelar, mientras que las enanas marrones se forman como las estrellas, por el colapso de nubes moleculares). Por desgracia, la naturaleza no parece cumplir con estas distinciones a la vez. Tenemos un montón de ejemplos de objetos que parecen haberse "formado como planetas" (en un disco circumestelar), pero que pueden ser suficientemente masivos para quemar deuterio; también hay objetos que no queman nada y que están aislados en cúmulos jóvenes. En muchos casos, nuestra incapacidad para medir propiedades como la masa o el estado interno de un objeto, o su origen, hacen que estas definiciones tengan poco sentido.

Como resultado, existe un desacuerdo considerable en nuestra comunidad sobre qué debe ser llamado planeta y qué enana marrón. He cuantificado esto en una serie de encuestas realizadas en conferencias y a través de los medios de comunicación social. Hay por lo menos una docena de objetos para los que encuentro una división entre la comunidad al 50/50 en cuanto a si deben ser llamados planetas o enanas marrones. Y cada vez hay más objetos que las personas identifican como que no encajan en ninguna de las categorías. He empezado a preguntar por una tercera opción, "Algo más" y ésta es la opción más votada para algunos casos difíciles como Ross 458C (un objeto que no produce fusiones nucleares y que orbita a su estrella anfitriona a una distancia de unas 1,000 Unidades Astronómicas –UA, la distancia media entre la Tierra y el Sol es de 1 UA) y Corot-3b (un "planeta" que tiene unas 20 veces la masa de Júpiter y que habría fusionado deuterio). También he encontrado diferencias en las convenciones de nomenclatura entre los astrónomos planetarios, los astrónomos que estudian las enanas marrones y el público en general. Para mí queda claro que no estamos cerca de un consenso en esta cuestión.

En mi opinión, no hay un límite "claro" entre planetas y enanas marrones. Las definiciones que tenemos para estos términos son demasiado vagas o cargadas de bagaje histórico, por lo que es difícil que los científicos lleguen a un consenso. Creo que terminaremos creando nuevas palabras para describir subcategorías y categorías cruzadas para estos objetos, tal como ocurrió cuando "planeta enano" fue introducido para nombrar a objetos como Plutón, Eris y el asteroide Ceres (que era un planeta cuando se descubrió en 1801). Es un momento interesante para ser un lingüista científico.

¿Cuántas enanas marrones hay en la Vía Láctea? ¿Qué podemos aprender acerca de nuestra galaxia mediante el estudio de estos objetos?

Nuestras estimaciones, basadas en el recuento de fuentes muy cercanas al Sol y en los cúmulos jóvenes, sugieren que la proporción de enanas marrones a estrellas está entre 1:5 y 1: 1, por lo que es probable que haya más de 50 mil millones de enanas marrones en nuestra galaxia. Hasta ahora hemos catalogado ¡sólo un par de miles! El hecho de que son bastante comunes ha quedado patente por el reciente descubrimiento de que el tercer y cuarto sistema “estelar” más cercanos están constituidas totalmente por enanas marrones: el sistema binario WISE 1049-5317AB y la enana marrón "congelada" (con una temperatura de 250K) WISE 0855-0714, ambos a unos 6-7 años luz de distancia y ambos descubiertos en los últimos dos años. Hay ciertamente muchas más enanas marrones cercanas y frías que no hemos descubierto todavía.

Las enanas marrones son una excelente población para investigar la historia de nuestra galaxia debido a tres propiedades únicas: (1) que se van enfriando con el tiempo, por lo que se comportan como "relojes" estelares;  (2) que nunca mueren, por lo que todas las enanas marrones formadas todavía están presentes en nuestra galaxia (a menos que hayan caído en un agujero negro o hayan sido devoradas por una enana blanca compañera); y (3) sus interiores están totalmente mezclados (decimos que son "totalmente convectivas"), por lo que la composición química de la atmósfera refleja la composición química de toda la enana marrón. Si añadimos el hecho de que las enanas marrones no fusionan nada más que el deuterio y tenemos un objeto que conserva sus abundancias químicas desde su formación, ha existido durante toda la historia de la galaxia y podemos estimar su edad. ¡Una prueba perfecta de la evolución química y la historia de formación estelar de nuestra galaxia! El problema es que estos objetos son muy débiles, por lo que necesitamos grandes telescopios (como el Gran Telescopio Canarias y el Keck) para obtener suficiente información sobre un número suficiente de enanas marrones que nos permita entender su población en un sentido estadístico.

Alrededor del 21% del contenido del Universo es lo que llamamos “materia oscura”. En tu opinión, ¿qué fracción de la "materia oscura" está compuesta de estrellas frías, enanas marrones y planetas extrasolares?

Muy poco, ciertamente menos del 1%. La posibilidad de que las enanas marrones fueran la materia oscura era una motivación importante para las primeras búsquedas de enanas marrones en los años 1970 y 1980, pero para conformar la materia oscura que debe estar presente en nuestra galaxia ¡necesitaríamos unas 20.000 enanas marrones por cada estrella! Ahora sabemos que estos objetos son mucho menos numerosos y, como las enanas marrones son poco masivas, su masa total simplemente no cuadra. También sabemos de los experimentos en cosmología, como WMAP, que la materia oscura no puede ser bariónica (compuesta por protones y neutrones), así que creo que la mejor opción sigue siendo que la materia oscura es una nueva partícula (o varias partículas), que espero encontraremos en el futuro próximo.

¿Tenemos los telescopios e instrumentos necesarios para responder a estas preguntas? ¿Cuál es el siguiente paso tecnológico a dar?

Para las enanas marrones más calientes que 500 K (una temperatura que puede alcanzar en su horno ¡en casa!), ahora tenemos la tecnología para encontrar y estudiar los ejemplos más cercanos, a unos 150 años luz o menos. Pero debido a que las enanas marrones siempre se están enfriando, los cálculos muestran que la mayoría de las enanas marrones son probablemente más frías que 500 K; la más fría que se conoce hoy en día tiene una temperatura de 250 K (WISE 0855-0714). Estas "estrellas" frías emiten la mayor parte de su luz en longitudes de onda en el infrarrojo medio. Esto es un inconveniente para las observaciones desde tierra porque todo lo que nos rodea también emite en el infrarrojo medio (incluyendo nuestros cuerpos) y nuestra atmósfera absorbe fuertemente la luz del infrarrojo medio (ambas razones conducen también al calentamiento global). Para el estudio de las enanas marrones muy frías, tendremos que observarlas en longitudes de onda en el infrarrojo medio, ya sea con nuevos instrumentos como CanariCam o desde el espacio. El Telescopio Espacial Spitzer, que está en órbita alrededor del Sol, ha sido una herramienta fantástica para el estudio de las enanas marrones, pero su misión terminará probablemente en los próximos 2-3 años. Afortunadamente, hay un nuevo telescopio espacial, el telescopio James Webb, que permitirá el tipo de observaciones en el infrarrojo que necesitamos para estudiar las enanas marrones con "temperatura ambiente", que son probablemente las más comunes en nuestra galaxia.

¿Cuáles han sido los principales proyectos en los que has trabajado en colaboración con investigadores del IAC durante tu estancia? ¿Ha sido una visita positiva para ti?

Estoy trabajando con Nicolas Lodieu, Zhenghua Zhang y Rafael Rebolo en tres proyectos relacionados con las subenanas de menor masa, estrellas que se formaron a principios de la historia de nuestra galaxia y tienen baja abundancia de metales en su atmósfera. De hecho, durante esta visita estamos trabajando en tres proyectos más, el primero de las cuales está casi completo. Este proyecto buscaba identificar litio en las atmósferas de dos de las subenanas de menor temperatura. El litio es un elemento que se destruye en estrellas, pero se conserva en enanas marrones; en esencia, estamos tratando de determinar si estas fuentes fueron enanas marrones o no. El litio es un elemento realmente increíble. Casi la totalidad del litio en el Universo fue creado poco después del Big Bang, por lo que estamos buscando átomos primordiales. Pensamos que las enanas marrones pueden ser los mejores objetos para el estudio de este elemento, ya que son muy longevos y la mayoría no pueden destruir este elemento por fusión. Por desgracia, tenemos un resultado un tanto ambiguo - tal vez hay un poco de litio presente en la atmósfera de un objeto, pero está en el límite de nuestra capacidad de detección. Sin embargo, la investigación ha sido fascinante y ha abierto nuevas preguntas sobre la química atmosférica en las enanas marrones pobres en metales. Los otros dos proyectos consisten en la definición de un esquema de clasificación en el infrarrojo para subenanas de tipo M y la búsqueda de compañeros tenues para estas fuentes. ¡Estén al tanto de estos!

Venir a IAC me ha permitido establecer algunas nuevas colaboraciones y desarrollar nuevas ideas de proyectos de investigación, tanto aquí como en el ESAC en Madrid. También me ha inspirado a desarrollar un programa de intercambio de estudiantes con mi institución de origen para que estudiantes puedan aprender tanto sobre la cultura española y canaria, como sobre astrofísica. Ha sido una visita muy fructífera y una gran oportunidad para explorar Tenerife y las islas circundantes. 

 

MINECO
IAC
Contacto: severoochoa@iac.es
Instituto de Astrofisica de Canarias. C/ Via Láctea s/n 38200, La Laguna. Islas Canarias. España.
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