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Hidrógeno ionizado en la formación de estrellas

Reyna Alejandra Fonseca Velázquez
14/mar/2017

¿Cómo se forman las estrellas? La respuesta ha atraído la atención de muchos investigadores. Y un mexicano, Juan Carlos Rodríguez Ramírez, del posgrado en Ciencias Físicas y adscrito al Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM, ha dedicado su doctorado a ello: entender la formación de estrellas masivas.

“Contrario a lo que nosotros pensaríamos, las estrellas no se van creando una a una sino que se forman en cúmulos y las poblaciones resultantes presentan un patrón definido: se forman muchas estrellas de baja masa y muy pocas estrellas de alta masa”, dice Rodríguez, quien presentó su trabajo en el Seminario de Estudiantes del Instituto de Física de la UNAM, el pasado 20 de febrero.

El trabajo de Rodríguez se centra en las llamadas regiones HII, que son nubes moleculares que se ionizaron, es decir, que les fueron “arrancados” electrones de sus átomos debido a los fotones emitidos por estrellas masivas que fueron formadas en su interior. En estas regiones HII, se forman estrellas masivas principalmente, y su formación da lugar a estrellas más pequeñas. “La formación de una estrella masiva (más fácil de detectar por su luminosidad) indica que en esa región hay más estrellas pequeñas en formación”, lo que permitiría conocer más acerca de la formación estelar en general.

Estas regiones fotoionizadas HII están compuestas principalmente por hidrógeno atómico ionizado (cargado eléctricamente, cuya nomenclatura astronómica es HII) y sus tamaños pueden ser de 100 hasta 10,000,000 unidades astronómicas (la distancia promedio de nuestro planeta al Sol). Dependiendo de su tamaño, estas regiones se han clasificado como hipercompactas, ultracompactas, compactas, clásicas y gigantes.

El colapso a partir de la inestabilidad gravitacional

Actualmente se sabe que las estrellas se forman a partir de nubes moleculares frías. Al suponer que las nubes moleculares son fluidos y que las perturbaciones del medio son pequeñas ondas acústicas que se propagan a lo largo de estos, es posible estudiar características como cambios de presión, temperatura o variación en la gravedad. Cuando las perturbaciones de densidad (debido a la gravedad) son inestables, el medio se colapsa y se forman las estrellas.

Desde el principio del siglo pasado, el físico británico James Jeans formalizó un modelo para analizar la inestabilidad gravitacional y sus resultados han sentado la base para estudios posteriores, como la de Rodríguez.

“Si la presión del fluido, en este caso la nube molecular, no aguanta su auto-gravedad”, es decir, si la presión del gas que la compone no soporta su propia gravedad, “esta se colapsa y da lugar a una fusión nuclear entre los elementos presentes, lo que se conoce como una estrella”, explica el doctorante.

Del análisis de Jeans, resultaron ciertas cotas que determinan cuándo puede o no ocurrir un colapso. “Si las perturbaciones en la nube molecular tienen una longitud de onda mayor al valor de la longitud de onda de Jeans, entonces el sistema es inestable y habrá colapso, si no, todo volverá a ser estable después de un tiempo”, expone Rodríguez, pues las nubes moleculares se encuentran sometidas siempre a perturbaciones de presión, temperatura y gravedad.

Un modelo para indagar los parámetros físicos de la formación de estrellas

Pero para explorar la formación de las estrellas masivas, Juan Carlos tuvo que verlas de una forma distinta. “Hicimos un análisis hidrostático de las nubes fotoionizadas (es decir de regiones HII), compuestas por polvo y gas como si fuera un fluido. El estado de esta estructura hidrostática debe reflejar las propiedades del gas neutro que formó la estrella”.

Rodríguez modeló una región HII en la que consideró como fuentes de ionización estrellas masivas ya formadas, que por sus grandes emisiones de radiación ultra-violeta (UV) ionizan al hidrógeno circundante. El doctorante consideró el caso en que el proceso dominante es debido a la presión de radiación dirigida hacia el exterior y debido a procesos de fotoionización y absorción de fotones por polvo.

Luego dio soluciones analíticas a las ecuaciones de sus modelos en una configuración esférica. Este tipo de soluciones permiten una fácil evaluación de los parámetros físicos asociados al tipo de solución (que en el caso de modelos numéricos es más complicado evaluar). Estas soluciones analíticas son aplicables en tiempos muy tempranos de las formación de las regiones HII (menores a 10,000 años) y establecen las posibles configuraciones del medio, donde posteriores expulsiones de energía como vientos estelares y explosiones supernovas, van a evolucionar.

Después expandió su análisis a un modelo sobre un plano; dicha geometría no había sido considerada en estudios previos, que consideraban fuentes de ionización puntuales. Sin embargo, tener una distribución plana tiene relevancia en otras configuraciones astrofísicas, como la estructura vertical de discos galácticos o el modelo de la colisión de nubes moleculares.

Rodríguez encontró que el factor que determina el tipo de soluciones que se pueden hallar para este problema es el número de estrellas por unidad de área dentro del plano y la cantidad de gas circundante. De acuerdo con esto, encontró que la capa neutra que rodea a la región HII puede ser poco densa, muy densa y delgada o inexistente.

Después de evaluar la estabilidad gravitacional de las capas densas neutras de su modelo, el investigador encontró que la mayoría de sus soluciones son estables, pero halló algunos casos de capas inestables que propician la generación de estrellas, cumpliéndose de nuevo el modelo de inestabilidad de Jeans.

En trabajos futuros, Juan Carlos Rodríguez estudiará el mismo problema pero de manera dinámica, usando códigos computacionales para resolver las ecuaciones de fluidos con términos de auto-gravedad y presión de radiación. Le interesa saber si la presión de radiación en regiones HII expansivas que inestabilizan el medio circundante neutro tiene un efecto en la formación estelar en cascada.