Lejana luz de Earendel

«Un nuevo barco para él construyeron [...] el Silmaril como linterna [...]
impuso a Eärendil un eterno destino: navegar por los cielos sin orillas.»
J.R.R. Tolkien, La canción de Eärendil

Nos hemos ocupado de la estrella más lejana visible a simple vista: x Carinae. Por supuesto, con binoculares, con telescopio, o simplemente en fotos, podemos ver estrellas más lejanas en nuestra galaxia y en galaxias cercanas. Ya hace 100 años, Edwin Hubble observó estrellas variables en la galaxia de Andrómeda y descubrió lo lejos que estaba, por ejemplo. Y la exquisita visión de los grandes telescopios espaciales, como Hubble o Webb, nos muestran estrellas individuales en galaxias que están a decenas de millones de años luz. ¿Cuál será la estrella individual más lejana que nos han permitido ver?

Aún para el Hubble o el Webb, las galaxias más lejanas son apenas coloridas manchitas difusas, cada una brillando con la luz combinada de billones de estrellas indistinguibles. Como las que se ven en esta imagen del cúmulo WHL0137-08, en Cetus:

Esta es una foto del Webb (con las características seis puntas en la estrella brillante, que está en nuestra propia galaxia), hecha como continuación de un estudio iniciado con el telescopio Hubble. Precisamente en este cúmulo de galaxias el Hubble observó varios arcos, que son la luz distorsionada de galaxias más lejanas. Es posible ver uno de ellos un poco abajo y a la derecha de la estrella brillante:

La intensa gravedad de estos cúmulos de galaxias actúa como una lente, un improvisado telescopio que magnifica la luz que viene de más lejos. Claro que son telescopios berretas, porque son naturales. Pero, aún así, de casualidad, en ocasiones, las lentes gravitacionales son capaces de producir imágenes detalladas de lo que hay atrás. En ese arco se ven varios puntos brillantes, y los astrónomos están seguros de que uno de ellos es una estrella individual, que han bautizado Earendel: 

Earendel se encuentra a 28 mil millones de años luz de distancia, dos millones de veces más lejos que x Car, y la luz que nos llega de ella hoy en día partió cuando el universo era mucho más joven, y no existían ni la Tierra ni el Sol.

Earendel es una estrella inmensa, de clase B, un millón de veces más luminosa que el Sol o tal vez más. Las estrellas tan masivas muchas veces tienen compañeras, y en el espectro de Earendel el telescopio Webb muestra cierta evidencia de que podría tener una compañera más pequeña y más roja, cuya luz vemos mezclada con la de la principal.

Ya se han observado varias estrellas lejanísimas con esta técnica. El récord anterior era de una estrella que se ve cerca de la supernova Refsdal, también magnificada de esta manera, que ya apareció en el blog. También hemos comentado la lejanísima supergigante roja Quyllur. Así que es muy posible que Earendel pierda su posición privilegiada en los próximos años, y que tengamos otra estrella más lejana aún. Por otro lado, también podría desaparecer, si se perdiera la delicada alineación de la lente gravitacional, y Earendel se desvanecería en la luz del arco que es la galaxia que la alberga. 

¿Cómo será Earendel? ¿Tendrá planetas, en ese universo tan temprano, con una composición química distinta del de nuestro alrededor? ¿Habrá algún planeta con anillos, alguno rocoso, alguna luna como la nuestra? ¿Cómo serán su cielo nocturno, sus constelaciones? ¿Qué verán cuando miran hacia nosotros? ¿Eh?

 

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El paper que discute el descubrimiento es Welch et al., JWST Imaging of Earendel, the extremely magnified star at redshift z = 6.2, ApJL 940 L1 (2022). De allí tomé la foto que indica la estrella. El resto son de las notas de prensa del Webb.

Hay un personaje de la mitología nórdica, Aurvandill (Ēarendel en inglés antiguo, pronunciado érrendel), cuyo dedo del pie, congelado y arrojado al cielo por Thor, es el lucero matutino. El personaje literario de Tolkien, Eärendil (originalmente Eärendel, padre de Elrond de El Señor de los Anillos), quizás tiene cierta relación con él. Además, una de las descubridoras dice que la referencia a Tolkien fue intencional.

El centenario de la astrofísica

La observación más elemental de las estrellas nos revela dos hechos fundamentales: tienen distintos brillos, y diferentes colores. 

Estas dos características de las estrellas obedecen a dos propiedades físicas. Por un lado, el color revela la temperatura, algo que la física acabó de entender a fines del siglo XIX, con el modelo matemático descubierto por Max Planck, que logró explicar el espectro de un cuerpo caliente. Por otro lado, si se conoce (o se puede estimar) la distancia a la que se encuentra una estrella, se puede calcular matemáticamente su brillo intrínseco, llamado luminosidad. Es necesario hacer esta conversión, porque una estrella puede ser brillante porque está muy cerca, como Sirio. Y puede ser tenue porque está muy lejos a pesar de ser intrínsecamente muy luminosa, como o² Canis Majoris, que marqué en la foto:

Ómicron 2 CMa es casi 10 mil veces más luminosa que Sirio, pero en el cielo la vemos 57 veces más tenue que ella simplemente porque se encuentra mucho más lejos. 

Estas dos magnitudes, la luminosidad y el color, ¿podrán aparecer en cualquier combinación? ¿O estarán relacionadas de alguna manera? Los primeros en explorarlo y descubrirlo, de manera independiente, fueron Ejnar Hertzprung, un ingeniero danés aficionado a la astronomía, y Henry Norris Russell, un astrónomo americano de formación académica. El siguiente es el gráfico que hizo Russell en 1913:

Cada punto es una estrella, de un puñado para el cual Russell pudo medir la distancia y calcular la luminosidad (o la magnitud absoluta), que se grafica en la coordenada vertical. En la coordenada horizontal, Russell puso la clase espectral (las letras que se ven arriba), una propiedad que está relacionada con el color y con la temperatura. Hertzsprung y Russell descubrieron que el color y la luminosidad no eran magnitudes independientes. Las inmensa mayoría de las estrellas aparecían formando una franja diagonal (que hoy llamamos secuencia principal, señalada en el gráfico con dos líneas diagonales), abarcando desde las estrellas muy luminosas y muy calientes (azules) en el extremo superior izquierdo, hasta las menos brillantes y más frías (y rojas) en el extremo inferior derecho. 

Con el correr de los años, el gráfico de Hertzsprung y Russell (hoy lo llamamos diagrama HR) acabaría convirtiéndose en el corazón de la nueva ciencia de la astrofísica, que procuraba explicar cómo funcionaban las estrellas como fenómeno físico. Claro que cuando ellos lo descubrieron nadie tenía idea de esto, ni de cómo sería su constitución interna, o cómo nacían y morían. Nadie podía asegurar que el Sol no se apagaría o explotaría, por ejemplo. A nadie se le había ocurrido que los astrónomos acabarían explicando el origen de los elementos químicos que forman nuestro planeta y nuestros propios cuerpos. 

Pero muy poco después, el genial Arthur Eddington sentaría las bases para esta ciencia de las estrellas, cuyo desarrollo llevaría la mayor parte del siglo XX. Eddington consolidó sus trabajos sobre la constitución interna de las estrellas en un libro fundamental, llamado, como no podía se de otra manera, La constitución interna de las estrellas. Lo publicó en 1926, pero en el prólogo cuenta que lo escribió entre mayo de 1924 y diciembre de 1925. Así que se cumplen 100 años del nacimiento de esta monumental teoría, que responde a todas esas cuestiones acerca de la vida de las estrellas. Es un logro extraordinario, teniendo en cuenta que las estrellas están tan lejos. Nadie puede ponerle un termómetro a una estrella, o tomar una muestra para analizarla en el laboratorio. Todo lo que sabemos sobre ellas lo sabemos mirando de lejos, gracias a la luz que nos llega de sus superficies y al ingenio de los astrofísicos. Es una teoría complicada, que incorpora todas las ramas de la física moderna. Algunos detalles ya los he ido contando en el blog, y en el futuro seguiré contando lo que pueda adaptar en palabras, de a pedacitos interesantes. Porque es algo de lo cual uno puede sentirse orgulloso aún sin haber participado, algo que te lleva a pensar "pucha, miren lo que hemos logrado".

 

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Hablé de estas cosas, y mucho más, en mi reciente charla en el Planetario de la Ciudad de Buenos Aires. Si se la perdieron, pueden verla en YouTube. ¡Y si les gusta, recomiéndenla!

Un agujero en el cielo

«¡Hay un agujero en el cielo!»
William Herschel, a su hermana Caroline

En el cielo austral hay tres cruces, que el observador desatento puede confundir. Una es la Cruz del Sur, con forma de crucifijo. Con una forma parecida, pero un poco más grande, hay una Falsa Cruz formada por dos estrellas de Carina y dos de la Vela. ¡No la usen para orientarse porque no apunta al sur! Entre ambas hay otra cruz, con forma más de rombo que de crucifijo (así que no es tan común confundirla). 

Esta cruz, formada por cuatro estrellas de Carina que en la representación habitual forman la proa de un barco, tiene la forma de los diamantes de la baraja, y por eso a veces se le dice el Diamante, o la Cruz de Diamante. Y una de sus estrellas, más que una estrella, es un puñado de diamantes:

La estrella más brillante de este hermoso cúmulo es θ (theta) Carinae, y el cúmulo es IC 2602, o cúmulo de Theta Carinae, para los amigos.

Esta foto, que también hice la noche del airglow en la estepa patagónica, muestra el contexto alrededor del cúmulo. Para empezar, señalemos que el cúmulo se ve fácilmente a simple vista desde un sitio oscuro. Con binoculares (el mejor instrumento para observarlo) siempre me da impresión de ser una manito abierta, pero en fotos me llama más la atención un grupito de 5 estrellas que forman una M. El cúmulo es muy cercano (480 años luz), y por eso lo vemos relativamente grande (incluso la estrella p Car, que marqué en la foto, es parte del sistema, a pesar de verse apartada). Es el tercero más brillante del cielo, después de las Pléyades y las Híades. Es también muy joven (14.7 M años), y por eso todas sus estrellas son jóvenes y azules. 

Muy cerquita, a menos de un grado de Theta Car, vemos en la foto otro cúmulo: Melotte 101. Es también un cúmulo medianito y joven, pero está al cuádruple de distancia que IC 2602. Abajo y a la derecha marqué otro objeto del catálogo IC, que me llamó la atención porque se ve realmente como una estrella: IC 2621. Es una nebulosa planetaria, muy muy chiquita, de la cual hay muy poca información on line. No sé si es muy joven, o si está muy lejos. Encontré sólo una foto telescópica, y apenas se la distingue como nebulosa. 

Mucho más notables son unas pequeñas oscuridades, de las cuales marqué cuatro. La más llamativa es tan compacta que parece un verdadero "agujero en el cielo": BHR 58.

Según relata Caroline Herschel en una carta a su sobrino John, fue William Herschel quien bautizó así a estos objetos. Dice que una vez, observando Escorpio por el telescopio, exclamó «Hier ist wahrhaftig ein Loch im Himmel!» (¡Aquí hay realmente un agujero en el cielo!). Durante mucho tiempo se discutió si eran realmente vacíos de estrellas, o nubes oscuras. Hoy sabemos que son realmente nubes de polvo frío, muy frío: a 200 grados bajo cero, son las regiones más frías del universo fuera de los laboratorios de física de bajas temperaturas. Son tan densas que opacan completamente la luz de las estrellas que se encuentran detrás. Son pequeñas, de unas 100 masas solares (mucho más pequeñas que las grandes nubes oscuras como el Saco de Carbón). Algunas de ellas tienen en su interior núcleos compactos que están dando lugar a nuevas estrellas. Se las puede observar en radiación infrarroja y en radio, y son particularmente interesante para estudiar la formación estelar en situaciones mucho más simples que en el caos de la nebulosa de Orión, la de Carina o la de la Laguna. Hoy en día se las llama generalmente glóbulos de Bok, por Bart Bok, el astrónomo de Harvard que dijo «el cielo autral tiene todo lo bueno», y se mudó a Australia. 

Esta foto de Theta Carinae fue casual: estaba tratando de encuadrar, a ojo, el cúmulo NGC 3532 que mostré la semana pasada, y me di cuenta del error cuando ya había hecho varias fotos. Como estaban lindas las procesé igual. Los dos encuadres se superponen un poquito, así que las monté juntas para mostrar el contexto general, ya que Theta Car está muy cerca de Eta Car y NGC 3532. Así:

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Las fotos son mías, salvo la de IC 2621, como se indica. La ilustración del principio, con las tres cruces, está hecha con Stellarium, con pocas estrellas para simular lo que se ve a simple vista desde una ciudad.

La letra griega θ usualmente se transcribe theta, y se pronuncia zeta, con el sonido del español peninsular. Por favor, no digan "teta" ni "tita" ni "seta". Pongan la lengua entre los dientes y digan "zeta". El griego tiene dos zetas: ésta, que es la de las palabras que en inglés se escriben con th (como theater) y que en español escribimos sólo con t. La otra es la ζ, cuyo sonido no existe en castellano. Es la z del francés, y podemos simularla en español poniendo la lengua contra el paladar en lugar de entre los dientes, para que suene como "dseta". Es la letra de las palabras que en castellano terminamos escribiendo con z, como "zoología" (que los españoles acabaron pronunciando con la otra...).

El pronóstico espacial

La semana pasada el mundo vio, con asombro, un despliegue de auroras polares inusual, visibles desde latitudes medias e incluso tropicales. Así brillaba el cielo austral en Ushuaia, por ejemplo (foto de @polyabba en X):

¿Qué pasó? Las auroras son una de las manifestaciones de las tormentas geomagnéticas, que son perturbaciones violentas y breves del campo magnético terrestre. A su vez, estas perturbaciones son producidas por el campo magnético del Sol, especialmente cuando en su superficie ocurren fenómenos violentos: fulguraciones (de radiación electromagnética) y eyecciones de masa coronal (erupciones de materia). Partículas subatómicas expulsadas y aceleradas por el Sol en estos episodios son canalizadas por el campo magnético terrestre hacia la atmósfera superior sobre las regiones polares, donde hacen brillar el nitrógeno y el oxígeno. En los días previos a las auroras, en la superficie del Sol se formó una mancha oscura gigantesca: 

Estas manchas solares se producen en regiones donde el campo magnético es muy intenso, miles de veces más intenso que en el resto de la superficie del Sol (y un par de miles de grados más fría, por eso se ven oscuras). Esta mancha se hizo tan grande que, en la mañana anterior a las auroras, pude verla a simple vista (con anteojitos de eclipse, pero sin magnificación de ningún tipo). Era muchísimo más grande que la Tierra entera, como se ve en esta composición de Philip Smith:

Estas regiones activas, como se llaman, de la superfice solar, son las que producen tanto fulguraciones como eyecciones de masa coronal. En pocas horas previas a las auroras, esa región activa produjo seis fuertes eyecciones, todas ellas apuntando directamente a la Tierra, como se ve en esta peliculita que hice con imágenes del satélite Soho:

Fíjense: a eso de las 5:00 del día 11 aparece una intensa lluvia de rayitas al azar, que son las partículas del viento solar golpeando la cámara. Son el mejor indicio de que se venía una buena aurora. Las eyecciones de masa coronal ya han aparecido en el blog, porque pudimos ver una durante el eclipse solar del 2020, algo que sí es raro (ahora me doy cuenta de que tendría que contar algo más). Pero la actividad del Sol está llegando al máximo de su ciclo, que dura 11 años (en realidad, 22), así que no es una sorpresa. Eso sí, la tormenta fue una de las 20 más intensas de los útimos 500 años. Lo que ocurre es que 11 años es mucho tiempo, y la gente se olvida. Además, hace 11 años los medios sociales estaban en su infancia, y hace 22 ni siquiera existían, así que los testigos de auroras inusuales simplemente no compartieron su experiencia. Pero incluso desde Bariloche ya se habían visto. Esta vez, lamentablemente, estuvo muy nublado y me las perdí. Pero mi amigo Daniel Chiesa se fue hasta el aeropuerto, donde pudo fotografiar el resplandor detrás de las nubes:

En Las Grutas, mi amigo Denis Martinez hizo fotos preciosas:

Como dije, estas cosas están bastante bien entendidas. Y como, aparte de la belleza de las auroras, las tormentas geomagnéticas pueden producir inconvenientes con consecuencias económicas (inducción de corrientes continuas en las redes eléctricas, pérdida de altura de satélites artificiales, etc), existe toda una nueva área de la ciencia aplicada llamada space weather para pronosticarlas. Su pionero fue Eugene Parker, como comentamos en ocasión del robot con su nombre que está explorando el Sol. Casi todas las observaciones se hacen desde el espacio, monitoreando el Sol permanentemente en todas las longitudes de onda del espectro electromagnético, y usando las ecuaciones de la magnetohidrodinámica para predecir su evolución. Los pronosticadores son capaces de predecir lo que va a ocurrir en el campo magnético terrestre con muchas horas de anticipación, y avisar a las compañías eléctricas y aeroespaciales para que tomen medidas preventivas. (Aún así, en 2022 Space X perdió 38 satélites recién lanzados, por una tormenta geomagnética "menor".)

¿Cómo es posible que veamos auroras desde latitudes tan lejanas de las regiones polares, donde se producen todo el tiempo? La razón es que, durante las tormentas geomagnéticas intensas, los óvalos de auroras (uno boreal y uno austral) se expanden muchísimo, y alcanzan latitudes bastante menores que lo usual. De todos modos, quedan confinados a las regiones polares, no vayan a creer. Pero las auroras ocurren a muy gran altura. Por ejemplo, las "cortinas rojas", que son las que se vieron hasta en Santiago del Estero, ocurren a 200-400 km de altura. Si usamos la fórmula que calculamos en la nota sobre la distancia al horizonte y la curvatura de la Tierra, encontraremos que una aurora a 300 km de altura se puede ver desde 2000 km de distancia. Desde Bariloche, 2000 km al sur está el Pasaje de Drake, precisamente donde estaba el óvalo de auroras el 11 de mayo. Las auroras verdes se forman por debajo de las rojas, y por esa razón se vieron desde regiones más cercanas a las zonas polares, como Ushuahia (pero incluso así, cercanas al horizonte, no bailando en el zenit como en las fotos que vemos de Islandia o Noruega). 

¿Por qué son más comunes las auroras boreales que las australes? Hay auroras mucho más seguido que lo que parece. Pero no siempre son igualmente intensas o visibles. Se combinan tres razones. En primer lugar, los óvalos están centrados en los polos magnéticos de la Tierra. El polo magnético norte está en Canadá, mientras que el austral está en la Antártida del lado de Nueva Zelanda. Desde la Argentina, queda del otro lado del mundo, así que sólo podemos verlas cuando el óvalo austral se expande, lo cual ocurre durante las tormentas cercanas al máximo de actividad solar, cada 11 años. En el norte, la región desfavorecida es Siberia, donde hay muy poca gente. Por otro lado, toda la población del hemisferio norte está más cerca del polo que la del sur. Por ejemplo, la ciudad de Cambridge, donde estuve el semestre pasado, está a 51 grados de latitud, equivalente al extremo austral de la provincia de Santa Cruz. Finalmente, hay mucha más población en el hemisferio norte, así que hay simplemente más reportes de auroras. Los satélites meteorológicos, con cámaras que no fueron diseñadas para esto, pudieron fotografiar las auroras inusuales del 11 de mayo como muestra la siguiente composición, en la que se ven los dos óvalos:

El máximo de actividad solar durará probablemente hasta el año 2026, así que tal vez tengamos más episodios de auroras visibles desde latitudes medias.

 

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Se escucha a veces la expresión "tormentas solares", que no significa nada. Digan tormenta geomagnética (un fenómeno terrestre). En el Sol, hay eyecciones de masa coronal (son esas erupciones que se ven en el video, y que mostré en el eclipse de 2020), fulguraciones y protuberancias (no "llamaradas", otra cosa que no existe).

El paper que comenta la pérdida de los satélites es Dang et al., Unveiling the Space Weather During the Starlink Satellites Destruction Event on 4 February 2022, Space Weather 20:e2022SW003152 (2022). 

La fórmula para calcular de manera aproximada la distancia al horizonte es: poner la altura en metros, tomar la raíz cuadrada, y multiplicar por 3.5. Eso da la distancia en kilómetros.

Tanto Daniel Chiesa como Denis Martinez se dedican al astroturismo. Si están por Las Grutas o Bariloche, ¡contrátenlos!