ALMA ve formación de sistemas estelares dobles, triples, cuádruples y quíntuples en una nube molecular

Para los humanos, la probabilidad de tener hijos múltiples es inferior al 2%. La situación es diferente en el caso de las estrellas, especialmente en el caso de estrellas especialmente pesadas. Los astrónomos observan estrellas muchas veces más pesadas que el Sol en más del 80% de los casos en sistemas dobles o múltiples. La pregunta clave es si también nacieron múltiples o si las estrellas nacen solas y se acercan con el tiempo.

Los nacimientos múltiples han sido durante mucho tiempo la norma para las estrellas masivas. Al menos en el ordenador, porque en simulaciones teóricas enormes nubes de gas y polvo tienden a colapsar y formar múltiples sistemas de estrellas masivas. Estas simulaciones representan un proceso jerárquico en el que porciones de nubes más grandes se contraen para formar núcleos más densos, y donde regiones más pequeñas dentro de esos «núcleos padres» colapsan para formar estrellas separadas: estrellas masivas, pero también numerosas estrellas menos masivas.

Y, de hecho, los astrónomos encuentran una gran cantidad de sistemas estelares múltiples completamente formados, especialmente estrellas que pesan muchas veces más que el sol. Sin embargo, esto todavía no demuestra que en la nube primordial ya se estén formando múltiples sistemas con estrellas masivas, como predicen las simulaciones.

ALMA observa un cúmulo estelar masivo

Las observaciones sistemáticas realizadas con el radioobservatorio ALMA, una red de radiotelescopios sensibles que pueden observar con muy alta resolución el frío gas molecular a partir del cual se forman las estrellas, han demostrado por primera vez que las simulaciones por ordenador son correctas. Las imágenes del telescopio ALMA muestran que una única nube molecular no sólo da lugar a sistemas estelares binarios. Observan los inicios de una gran cantidad de sistemas múltiples diferentes. Probablemente nuestro sol también se formó en tal mezcla.

Es muy difícil observar con suficiente detalle las regiones de formación estelar. Hasta ese momento, las observaciones habían podido mostrar sólo unos pocos candidatos a múltiplos aislados en cúmulos estelares masivos, pero nada como la multitud de múltiplos predichos por las simulaciones.

Para confirmar o descartar los modelos actuales de formación de estrellas masivas, estaba claro que se necesitaban observaciones más detalladas. Esto fue posible una vez que el observatorio ALMA en Chile entró en funcionamiento. En su forma actual, ALMA combina hasta 66 antenas de radio para actuar como un único radiotelescopio gigantesco, permitiendo observaciones de radio que muestran detalles exquisitamente pequeños.

Dirigido por Patricio Sanhueza del Observatorio Nacional Japonés NAOJ y la Universidad de Estudios Avanzados de Tokio, e incluyendo a varios investigadores del Instituto Max Planck de Astronomía de Heidelberg, un grupo de astrónomos se propuso observar 30 regiones prometedoras de formación estelar masiva con ALMA entre 2016 y 2019.

Analizar los datos resultó ser un desafío considerable y llevó varios años. Cada observación separada produce alrededor de 800 GB de datos, y reconstruir imágenes a partir de las contribuciones de todas las diferentes antenas es un proceso complejo.

El resultado que ahora se ha publicado se basa en el análisis de una de las regiones de formación estelar, que tiene el número de catálogo G333.23–0.06. El análisis fue dirigido por Shanghuo Li del MPIA, quien también es el autor principal del artículo resultante que ahora se publica en Nature Astronomy. Se titula «Observaciones de multiplicidad de alto orden en un protocúmulo estelar de gran masa».

Las imágenes reconstruidas resultantes son notables: muestran detalles de hasta unas doscientas unidades astronómicas (200 veces la distancia entre la Tierra y el Sol) para una gran región de unas 200.000 unidades astronómicas de ancho.

Como se forman las estrellas
Los resultados son una excelente noticia para el panorama actual de la formación de estrellas masivas. En G333.23–0.06, Li y sus colegas encontraron cuatro protoestrellas binarias, un sistema triple, un cuádruple y un quíntuple, lo que concuerda con las expectativas. De hecho, las observaciones de los entornos refuerzan un escenario particular para la formación de estrellas de gran masa. Proporcionan evidencia de una formación estelar jerárquica, donde la nube de gas primero se fragmenta en «núcleos» de mayor densidad de gas, y donde cada núcleo luego se fragmenta en un sistema de protoestrellas múltiples.

Henrik Beuther, que dirige el grupo de Formación Estelar en el departamento de Formación de Planetas y Estrellas del Instituto Max Planck de Astronomía, dice: «Finalmente pudimos observar en detalle la rica variedad de sistemas estelares múltiples en una formación estelar masiva». ¡Particularmente emocionante es que las observaciones llegan incluso a proporcionar evidencia de un escenario específico para la formación de estrellas de gran masa».

Shanghuo Li, astrónomo del Instituto Max Planck de Astronomía y autor principal de la publicación actual, añade: «Nuestras observaciones parecen indicar que cuando la nube colapsa, los múltiplos se forman muy pronto. ¿Pero es realmente así? Análisis de estudios adicionales Las regiones de formación estelar, algunas de ellas más jóvenes que G333.23–0.06, deberían darnos la respuesta».

Específicamente, los astrónomos están trabajando actualmente en un análisis similar para las 29 regiones adicionales de formación de estrellas masivas que habían observado, a las que pronto se unirán 20 más, con nuevas observaciones de ALMA dirigidas por Li. Esto debería permitir estadísticas de mayor alcance sobre las propiedades de dichas regiones y una visión de la evolución de los múltiplos. Pero incluso con los resultados actuales, el papel de las estrellas múltiples en la formación de estrellas masivas está ahora firmemente arraigado en la observación.

Grandes explosiones y sacudidas del espacio-tiempo

Las estrellas masivas con más de ocho veces la masa del Sol, que forman múltiples sistemas estelares, son de especial interés para los astrónomos: las estrellas más masivas brillan mucho más que nuestro Sol y desperdician su suministro de energía. Mueren hasta mil veces antes que las estrellas de menor masa como nuestro sol.

Si el sistema estelar permanece unido después de que las estrellas mueren debido a explosiones de supernovas, las estrellas de neutrones y los agujeros negros permanecen orbitando entre sí. Cuando los agujeros negros se fusionan, emiten ondas gravitacionales que los detectores pueden medir desde hace algunos años. También son especialmente interesantes las colisiones de estrellas de neutrones. Los elementos más pesados que conocemos, como el oro, se forman en este tipo de kilonovas.

Con información de Nature