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¿Qué hay entre las estrellas?

La visión que proporcionó la misión espacial del observatorio Gaia sobre el polvo interestelar.

El espacio entre las estrellas no está vacío, sino que está lleno de polvo y gas que llamamos el medio interestelar (ISM). Cuando la luz de las estrellas viaja a través de una nube de polvo, parte de la luz se dispersa, y por lo tanto la estrella aparecerá un poco más tenue que sin el polvo, un efecto conocido como extinción. Para la luz en diferentes longitudes de onda medidas por Gaia, por lo que para los diferentes colores observados, el efecto varía: la luz en longitudes de onda más cortas (hacia el extremo azul del espectro) se dispersa con más fuerza que las de longitudes de onda más largas (extremo rojo del espectro). Esta característica dependencia de la longitud de onda permite a los astrónomos reconstruir la cantidad de extinción que ha sufrido la luz de las estrellas, que se relaciona con la cantidad de polvo y gas que hay entre nosotros y esa estrella.

Sin embargo, Gaia solo puede informarnos sobre la extinción total a lo largo de la línea de visión de una estrella, pero no puede decir dónde está el polvo a lo largo de este camino. ¿Hay una nube cerca de Gaia, más cerca de la estrella, o múltiples nubes en varios lugares? Para responder a esta pregunta, tendríamos que combinar información de diferentes distancias a lo largo de una línea de visión dada mientras combinamos muchas medidas de extinción en diferentes direcciones; sólo entonces se podría construir un mapa tridimensional de la extinción en la Vía Láctea.

Figura 1. Esta animación muestra el impacto del polvo interestelar a lo largo de la línea de visión en los espectros BP/RP de baja resolución Gaia DR3 de estrellas similares a las solares. Estas estrellas han sido seleccionadas para tener temperaturas, gravedades superficiales, metalicidades, masas y radios que son consistentes con el Sol (ver Sect. 7 en Creevey et al. 2022). El polvo interestelar atenúa los espectros BP/RP, lo que lleva a un flujo reducido recibido por el telescopio a bordo del satélite Gaia. En palabras simples, las estrellas se oscurecen por el polvo interestelar. El impacto de la atenuación del polvo no es el mismo para todas las longitudes de onda. Más bien, las longitudes de onda más cortas (correspondientes a la luz azul) se atenúan más fuertemente que las longitudes de onda más largas (correspondientes a la luz roja). Una vez más, en palabras simples, las estrellas no solo se oscurecen sino que también se enrojecen por el polvo interestelar. El panel izquierdo muestra los espectros BP/RP en el sistema interno (ver De Angeli et al. 2022) ya que se han utilizado para estimar parámetros astrofísicos para Gaia DR3. El panel derecho muestra exactamente los mismos espectros BP / RP después de la calibración externa como se describe en Montegriffo et al. 2022. ESA/Gaia/DPAC – CC BY-SA 3.0 IGO. Las imágenes de esta animación están adaptadas de las presentadas en Gaia Collaboration, Creevey et al. 2022 A&A. Agradecimientos: Rene Andrae, Andreas Korn, Anthony Brown, Orlagh Creevey.

Diferentes técnicas nos permiten determinar la cantidad de extinción asociada con una estrella. El enfoque más común utiliza la dependencia de la longitud de onda de la extinción mencionada anteriormente. Junto con los paralajes de Gaia, los astrónomos pueden desenredar la distribución del medio interestelar de la extinción medida a través del análisis de las muchas estrellas con espectros Gaia BP y RP. GSP-Phot es el software que analizó alrededor de 500 millones de estrellas en la publicación de datos de Gaia DR3. Más específicamente, dedujo la distancia, la temperatura, la química y la cantidad de extinción para cada una de estas estrellas.

Figura 2: Mapa del cielo de la extinción de GSPPhot. GSPphot proporciona extinción para estrellas individuales. Estas estrellas se combinan en píxeles de curación en el nivel 10 para crear estos mapas del cielo. La extinción se muestra desde A0 = 0 a 4 en la escala de barras de color. En Gaia DR2 se mostró un mapa de extinción utilizando ~ 220 millones de fuentes agrupadas en píxeles de curación de nivel 10. En este mapa actual para Gaia DR3 se utilizaron ~ 470 millones de fuentes, agrupadas en healpixels de nivel 10. Este mapa del cielo ha sido suavizado. Ver Andrae et al., 2022 para más detalles. Tenga en cuenta también que el mapa de color utilizado aquí es diferente del de las imágenes GSPphot Gaia DR2 publicadas aquí y aquí. Detalles sobre los datos utilizados para este mapa del cielo: GSPphot – datos de nivel 10 de healpix disponibles en el Archivo Gaia. Créditos: ESA/Gaia/DPAC – CC BY-SA 3.0 IGO. Agradecimientos: Creado por T.E.Dharmawardena, Gaia group @ MPIA

El mapa anterior actualiza el primer mapa de extinción publicado con Gaia Data Release 2 aquí y aquí. Aunque Gaia DR2 proporcionó alguna información sobre los parámetros astrofísicos de Gaia como la extinción, solo ahora, con Gaia Data Release 3, vemos todo el poder de Gaia para determinar parámetros como la extinción.

Figura 3. Mapa del cielo de la extinción galáctica total (TGE). El mapa del cielo de la extinción galáctica total muestra la extinción total del medio interestelar de la Vía Láctea, como se observa desde el Sol hasta el borde de la Vía Láctea. Esto fue creado utilizando mediciones de extinción GSPhpot de estrellas gigantes rojas en la muestra Gaia DR3. Si bien no se muestra la barra de colores, los colores representan la extinción A0 de 0 a 5 magnitudes. Detalles sobre los datos utilizados para este mapa del cielo: Extinción galáctica total – mapa healpix optimizado basado en la tabla DR3 total_galactic_extinction_map_opt. Este mapa del cielo no se ha suavizado. Ver Delchambre et al. 2022 para más detalles. Créditos: ESA/Gaia/DPAC – CC BY-SA 3.0 IGO. Agradecimientos: Creado por T.E.Dharmawardena, Gaia group @ MPIA

A partir de las estrellas distantes que GSP-Phot analizó con mayor precisión (típicamente estrellas gigantes rojas brillantes), el módulo de software Total Galactic Extinction (TGE) estimó la extinción galáctica total en cualquier línea de visión a través de nuestra galaxia. Sin embargo, el delgado disco de la Vía Láctea está tan densamente poblado de estrellas y el ISM que Gaia no puede ver estrellas muy distantes en estas regiones. Como resultado, TGE no puede producir estimaciones, por lo que las partes del mapa TGE a lo largo de este disco están incompletas (se muestran en gris). Sin embargo, TGE estima la extinción total de galaxias distantes en la mayor parte del cielo.Con Gaia DR3, los mapas de extinción galáctica total de todo el cielo a diferentes resoluciones espaciales están disponibles en el Archivo Gaia. Los mapas proporcionados se encuentran en los niveles 6, 7, 8 y 9 de HEALPix.

Figura 4. Mapa del cielo de la extinción de GSPPhot (como se describe en la Figura 2) con recuadros a la izquierda agregados para resaltar las regiones de formación estelar conocidas, y a la derecha zoom-ins de estas mismas regiones de formación estelar. Créditos: ESA/Gaia/DPAC – CC BY-SA 3.0 IGO. Agradecimientos: Creado por T.E.Dharmawardena, Gaia group @ MPIA

Figura 5. Mapa del cielo de la extinción galáctica total (como se describe en la Figura 3) con recuadros a la izquierda agregados para resaltar las regiones de formación estelar conocidas, y a la derecha zooms de estas mismas regiones de formación estelar. Créditos: ESA/Gaia/DPAC – CC BY-SA 3.0 IGO. Agradecimientos: Creado por T.E.Dharmawardena, Gaia group @ MPIA

Otra técnica para caracterizar el medio interestelar (ISM) es midiendo sus huellas químicas en la luz dispersa de las estrellas. Una de estas huellas, las bandas interestelares difusas (DIB), son características de absorción a menudo atribuidas a moléculas orgánicas en el ISM. Sin embargo, su origen exacto sigue siendo desconocido incluso después de un siglo.

Figura 6. Animación que muestra múltiples Gaia RVS Spectra y destaca la huella DIB 862nm del ISM a lo largo de la línea de visión de esas estrellas. Las mediciones de Gaia del flujo estelar se indican en negro; la línea roja indica la mejor descripción del modelo. Las franjas verticales de colores indican los diferentes átomos y moléculas presentes en la atmósfera estelar. Un cuadrado verde indica el DIB. Créditos: ESA/Gaia/DPAC – CC BY-SA 3.0 IGO. Agradecimientos: ESA/Gaia/DPAC/CU8, Recio-Blanco y el equipo GSP-Spec.

Figura 7. Animación que muestra cómo la huella DIB 862nm del ISM se hace más fuerte a lo largo de la línea de visión con la distancia. La línea negra indica la mejor descripción del modelo. Créditos: ESA/Gaia/DPAC – CC BY-SA 3.0 IGO, basado en imágenes publicadas en Gaia Collaboration, Schultheis, et al. 2022. Agradecimientos: M. Schultheis.

Los DIB son difíciles de observar desde telescopios terrestres debido a la atmósfera de la Tierra. Aún así, en la ubicación de Gaia (a unos 1,5 millones de km de la Tierra en la dirección lejos del Sol), las condiciones de observación son ideales, y los datos de RVS proporcionan mediciones de alta calidad de la fuerza del DIB en la longitud de onda de 862nm.

Figura 8. Mapas tridimensionales de extinción (izquierda) y DIB (centro) con datos de Gaia DR3. El panel izquierdo ilustra la fuerte correlación entre la extinción y los DIB. Según el mejor conocimiento de los astrónomos, destacamos los brazos espirales de la Vía Láctea. El Sol se encuentra en el centro (0, 0) de estos mapas, y el Centro Galáctico se encuentra hacia la izquierda (-8kpc, 0). La imagen detrás es una vista artística de nuestra galaxia por Robert Hurt y Robert Benjamin (Churchwell et al. 200). Cifras de Gaia Collaboration, Schultheis, et al. 2022 – CC BY-SA 3.0 IGO.

Finalmente, también podemos construir mapas de extinción en la Vía Láctea, vistos desde fuera de la Galaxia, gracias a las distancias de Gaia. La Figura 8 ilustra la construcción de los mapas de extinción (panel izquierdo) y DIBs (centro), respectivamente. Los mapas de extinción y DIB son muy similares, pero también tienen diferencias significativas (resaltadas en el panel izquierdo), particularmente en la Burbuja Local (menos de 1kpc alrededor del Sol). Esta última es el área cercana que hoy en día contiene muy poco gas y polvo debido a las supernovas pasadas, esos eventos explosivos que alejaron el gas y el polvo.

Figura 9. Un zoom en la burbuja local, destacando la existencia de DIB dentro de la burbuja. Figura de Gaia Collaboration, Schultheis, et al. 2022 – CC BY-SA 3.0 IGO.

Las observaciones de Gaia revelaron un misterio significativo en la Burbuja Local: ¿qué mecanismos llevaron a tener poca o ninguna extinción sino la presencia de las moléculas responsables de los DIB? O estos últimos no fueron impresionados por las supernovas, o se formaron después. Ambos escenarios nos ayudarán a comprender la naturaleza del medio interestelar y abrirán nuevas visiones sobre la historia cósmica en la burbuja local.

Por otro lado, Gaia también mide el movimiento de las estrellas. A partir de esos movimientos, los astrónomos pudieron inferir la estructura espiral de la Vía Láctea, por ejemplo. Pero estos movimientos también revelaron la cinemática ondulada del DIB a 862nm portadores, que se correlaciona muy bien con el movimiento del gas CO en la Vía Láctea. Esta correlación sugiere que los portadores DIB podrían relacionarse con macromoléculas gaseosas en el ISM (ver artículo “Gaia Data Release 3: Exploring and mapping the diffuse interstellar band at 862nm” por la Colaboración Gaia, Schultheis, et al. 2022).

Figura 10. Diagrama de longitud-velocidad para el Gaia DIB λ862nm en comparación con 12CO de Dame et al. (2001). Los círculos rojos y las barras verticales indican las velocidades medias y la incertidumbre. También indicamos curvas de velocidad para diferentes distancias galactocéntricas (Reid et al. 2019). Créditos: Gaia Collaboration, Schultheis, et al. 2022 -CC BY-SA 3.0 IGO. Agradecimientos: ESA/Gaia/DPAC/CU8, creado por H. Zhao y M. Schultheis.

Es la primera vez que la curva de rotación galáctica puede ser trazada tan claramente por una característica DIB. ¡Los espectros RVS han demostrado ser un producto de datos convincente de Gaia! Gaia es ante todo un “topógrafo de mil millones de estrellas”, pero tal vez sorprendentemente, sus observaciones nos permiten mapear el medio interestelar con precisión. Mediante el uso de los espectros BP, RP y RVS en Gaia DR3, los científicos pueden medir múltiples cantidades independientes (extinción y DIB) que revelan las características del ISM. Con Gaia Data Release 3, Gaia se convierte en la topografía más grande del medio interestelar.

Los datos de Gaia permitirán a los astrónomos reconstruir la densidad de polvo tridimensional de la Vía Láctea, obteniendo una visión crítica de la distribución del medio interestelar: el gas y el polvo entre las estrellas. El ISM es el material del que nacen las estrellas. Estas estrellas, a su vez, calientan el medio interestelar cuando mueren y lo siembran con los nuevos elementos químicos que han producido a través de la fusión nuclear a lo largo de sus vidas. El polvo en el ISM también protege las moléculas de la destrucción por la radiación UV de las estrellas. Este blindaje es crucial para la formación de planetas y para qué tipo de moléculas terminan como parte de planetas recién formados. Estudiar las propiedades del polvo, como su distribución tridimensional y las variaciones en la densidad, es esencial para comprender la física de este delicado equilibrio. Nos proporciona pistas esenciales sobre los mecanismos físicos de la formación de estrellas y galaxias y la historia de la Vía Láctea.

Figura 11. Este mapa del cielo muestra la distribución global de las bandas interestelares difusas (DIB) codificadas por el ancho equivalente del DIB en healpIx nivel 5 (~ 1.8 grados cuadrados de resolución). Vemos claramente fuertes DIBs concentrados hacia el plano galáctico. Claramente visibles también son algunas características extendidas hacia latitudes más altas para la galaxia interior (|l| < 30 grados). Crédito: ESA/Gaia/DPAC – CC BY-SA 3.0 IGO. Agradecimientos: ESA/Gaia/DPAC/CU8/GSP-SPec, creado por H. Zhao y M. Schultheis.

Créditos: ESA/Gaia/DPAC

Historia original en inglés escrita por: Tineke Roegiers, Morgan Fouesneau, Ronald Drimmel, Mathias Schultheis, Thavisha Dharmawardena, Orlagh Creevey (traducido al castella por Búsqueda Extraterrestre).

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