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La nave TESS permite un estudio innovador de pulsaciones estelares desconcertantes

Las ondas sonoras viajan a través del interior de una estrella a velocidades que cambian con la profundidad, y todas se combinan en patrones de pulsación en la superficie de la estrella. Los astrónomos pueden detectar estos patrones como pequeñas fluctuaciones en el brillo y usarlos para determinar la edad, la temperatura, la composición, las estructuras internas y otras propiedades de la estrella. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

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Los astrónomos han detectado patrones de pulsación elusivos en docenas de estrellas jóvenes que giran rápidamente gracias a los datos del Satélite de Encuesta de Exoplanetas en Tránsito (TESS) de la NASA. El descubrimiento revolucionará la capacidad de los científicos para estudiar detalles como las edades, tamaños y composiciones de estas estrellas, todos miembros de una clase que lleva el nombre del prototipo, la brillante estrella Delta Scuti.

“Las estrellas Delta Scuti claramente pulsan de maneras interesantes, pero los patrones de esas pulsaciones hasta ahora han desafiado la comprensión”, dijo Tim Bedding, profesor de astronomía en la Universidad de Sydney. “Para usar una analogía musical, muchas estrellas pulsan a lo largo de acordes simples, pero las estrellas Delta Scuti son complejas, con notas que parecen estar mezcladas. TESS nos ha demostrado que eso no es cierto para todos ellos”.

Un artículo que describe los hallazgos, dirigido por Bedding, aparece en la edición del 14 de mayo de 2020 de la revista Nature y ahora está disponible en línea.


Mira las pulsaciones de una estrella Delta Scuti! En esta ilustración, la estrella cambia de brillo cuando las ondas sonoras internas a diferentes frecuencias hacen que partes de la estrella se expandan y contraigan. En un patrón, toda la estrella se expande y se contrae, mientras que en un segundo, los hemisferios opuestos se hinchan y se encogen fuera de sincronía. En realidad, una sola estrella exhibe muchos patrones de pulsación que pueden decir a los astrónomos sobre su edad, composición y estructura interna. Las variaciones exactas de luz que los astrónomos observan también dependen de cómo el eje de giro de la estrella se inclina hacia nosotros. Las estrellas Delta Scuti giran tan rápidamente que se aplanan en óvalos, lo que mezcla estas señales y las hace más difíciles de decodificar. Ahora, gracias al Satélite de Estudio de Exoplanetas en Tránsito de la NASA, los astrónomos están descifrando algunos de ellos. Créditos: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

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Los geólogos que estudian las ondas sísmicas de los terremotos descubrieron la estructura interna de la Tierra a partir de la forma en que las reverberaciones cambiaron de velocidad y dirección a medida que viajaban a través de ella. Los astrónomos aplican el mismo principio para estudiar el interior de las estrellas a través de sus pulsaciones, un campo llamado asterosismología.

Las ondas sonoras viajan a través del interior de una estrella a velocidades que cambian con la profundidad, y todas se combinan en patrones de pulsación en la superficie de la estrella. Los astrónomos pueden detectar estos patrones como pequeñas fluctuaciones en el brillo y usarlos para determinar la edad, la temperatura, la composición, la estructura interna y otras propiedades de la estrella.Las estrellas Delta Scuti tienen entre 1,5 y 2,5 veces la masa del Sol. Llevan el nombre de Delta Scuti, una estrella visible para el ojo humano en la constelación austral de Scutum que se identificó por primera vez como variable en 1900. Desde entonces, los astrónomos han identificado a miles más como Delta Scuti, muchos con el telescopio espacial Kepler de la NASA, otra misión de caza de planetas que operó de 2009 a 2018.

Pero los científicos han tenido problemas para interpretar las pulsaciones de Delta Scuti. Estas estrellas generalmente giran una o dos veces al día, al menos una docena de veces más rápido que el Sol. La rápida rotación aplana las estrellas en sus polos y mezcla los patrones de pulsación, haciéndolos más complicados y difíciles de descifrar.

Las ondas de sonido que rebotan dentro de una estrella hacen que se expanda y se contraiga, lo que resulta en cambios de brillo detectables. Esta animación representa un tipo de pulsación Delta Scuti, llamada modo radial, que es impulsada por ondas (flechas azules) que viajan entre el núcleo y la superficie de la estrella. En realidad, una estrella puede pulsar en muchos modos diferentes, creando patrones complicados que permiten a los científicos aprender sobre su interior. Créditos: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

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Para determinar si existe orden en las pulsaciones aparentemente caóticas de las estrellas Delta Scuti, los astrónomos necesitaban observar un gran conjunto de estrellas varias veces con un muestreo rápido. TESS monitorea grandes franjas del cielo durante 27 días a la vez, tomando una imagen completa cada 30 minutos con cada una de sus cuatro cámaras. Esta estrategia de observación permite a TESS rastrear los cambios en el brillo estelar causados por los planetas que pasan frente a sus estrellas, que es su misión principal, pero las exposiciones de media hora son demasiado largas para captar los patrones de las estrellas Delta Scuti que pulsan más rápidamente. Esos cambios pueden ocurrir en minutos.

Pero TESS también captura instantáneas de unos pocos miles de estrellas preseleccionadas, incluidas algunas estrellas Delta Scuti, cada dos minutos. Cuando Bedding y sus colegas comenzaron a clasificar las mediciones, encontraron un subconjunto de estrellas Delta Scuti con patrones de pulsación regulares. Una vez que supieron qué buscar, buscaron otros ejemplos en los datos de Kepler, que utilizaron una estrategia de observación similar. También realizaron observaciones de seguimiento con telescopios terrestres, incluido uno en el Observatorio W.M. Keck en Hawai y dos en la red global del Observatorio Las Cumbres. En total, identificaron un lote de 60 estrellas Delta Scuti con patrones claros.

“Esto realmente es un gran avance. Ahora tenemos una serie regular de pulsaciones para estas estrellas que podemos entender y comparar con los modelos”, dijo el coautor Simon Murphy, investigador postdoctoral de la Universidad de Sydney. “Nos va a permitir medir estas estrellas usando la astrosismología de una manera que nunca hemos podido hacer. Pero también nos ha demostrado que esto es solo un trampolín en nuestra comprensión de las estrellas Delta Scuti”.

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Las pulsaciones en el grupo Delta Scuti de buen comportamiento se dividen en dos categorías principales, ambas causadas por la energía almacenada y liberada en la estrella. Algunos ocurren a medida que toda la estrella se expande y se contrae simétricamente. Otros ocurren cuando los hemisferios opuestos se expanden y contraen alternativamente. El equipo de Bedding dedujo las alteraciones estudiando las fluctuaciones de brillo de cada estrella.

Los datos ya han ayudado a resolver un debate sobre la edad de una estrella, llamada HD 31901, miembro de una corriente de estrellas recientemente descubierta que orbita dentro de nuestra galaxia. Los científicos colocaron la edad de la corriente total en 1.000 millones de años, basándose en la edad de una gigante roja que sospechaban que pertenecía al mismo grupo. Una estimación posterior, basada en los períodos de rotación de otros miembros de la corriente estelar, sugirió una edad de solo unos 120 millones de años. El equipo de Bedding utilizó las observaciones de TESS para crear un modelo asterosísmico de HD 31901 que admite la edad más joven.


Escuche el rápido ritmo de HD 31901, una estrella Delta Scuti en la constelación austral de Lepus. El sonido es el resultado de 55 patrones de pulsación observados por TESS durante 27 días acelerados en 54.000 veces. Las estrellas Delta Scuti han sido conocidas durante mucho tiempo por sus pulsaciones aparentemente aleatorias, pero los datos de TESS muestran que algunas, como HD 31901, tienen patrones más ordenados. Créditos: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA y Simon Murphy, Universidad de Sydney

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“Las estrellas Delta Scuti han sido objetivos frustrantes debido a sus complicadas oscilaciones, por lo que este es un descubrimiento muy emocionante”, dijo Sarbani Basu, profesor de astronomía en la Universidad de Yale en New Haven, Connecticut, que estudia la asterosismología pero no participó en el estudio. “Ser capaz de encontrar patrones simples e identificar los modos de oscilación es un cambio de juego. Dado que este subconjunto de estrellas permite análisis sísmicos normales, finalmente podremos caracterizarlas adecuadamente”.

El equipo cree que su conjunto de 60 estrellas tiene patrones claros porque son más jóvenes que otras estrellas Delta Scuti, ya que recientemente se han establecido en producir toda su energía a través de la fusión nuclear en sus núcleos. Las pulsaciones ocurren más rápidamente en las estrellas incipientes. A medida que las estrellas envejecen, la frecuencia de las pulsaciones disminuye y se mezclan con otras señales.Otro factor puede ser el ángulo de visión de TESS. Los cálculos teóricos predicen que los patrones de pulsación de una estrella giratoria deberían ser más simples cuando su polo de rotación se enfrenta a nosotros en lugar de su ecuador. El conjunto de datos TESS del equipo incluyó alrededor de 1.000 estrellas Delta Scuti, lo que significa que algunas de ellas, por casualidad, deben verse cerca de la pole-on.

Los científicos continuarán desarrollando sus modelos a medida que TESS comience a tomar imágenes completas cada 10 minutos en lugar de cada media hora en julio. Beddding dijo que la nueva estrategia de observación ayudará a capturar las pulsaciones de aún más estrellas Delta Scuti.

“Sabíamos cuando diseñamos TESS que, además de encontrar muchos exoplanetas nuevos y emocionantes, el satélite también avanzaría en el campo de la asterosismología”, dijo el investigador principal de TESS, George Ricker, en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge. “La misión ya ha encontrado un nuevo tipo de estrella que pulsa solo en un lado y ha desenterrado nuevos hechos sobre estrellas conocidas. A medida que completamos la misión inicial de dos años y comenzamos la misión extendida, esperamos una gran cantidad de nuevos descubrimientos estelares que TESS hará”.

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Referencia: nasa.gov

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