Los núcleos estelares giran sorprendentemente lentos: los científicos ahora creen que saben por qué

Cuando nacen las estrellas, su núcleo se contrae a medida que se acumulan en masa. Y cuando las estrellas mueren, su núcleo se encoge nuevamente a medida que queman su combustible y comienzan a colapsar en una enana blanca, una estrella de neutrones o incluso un agujero negro en una explosión de supernova. En ambos casos, el núcleo decreciente comienza a girar más rápido, como lo hace un patinador sobre hielo cuando tira de sus brazos.

Pero las observaciones de las estrellas han revelado algo extraño: estos núcleos estelares que se encogen no se aceleran tanto como deberían. Por ejemplo, en un gigantes rojas—el tipo de estrella en la que nuestro propio sol eventualmente se convertirá a medida que envejece— el núcleo completa una rotación en el transcurso de hasta decenas de días, mientras que la física prediría que debería rotar por completo en unas horas.

Algo está ralentizando estos núcleos. ¿Pero que? Ahora una nueva simulación. revela al probable culpable: campos magnéticos sostenidos por la turbulencia en el interior de las regiones de las estrellas donde la energía creada por la fusión nuclear se transmite hacia el exterior. Estos campos están protegidos de la vista por el exterior de las estrellas. “El mecanismo que observamos en nuestra estimulación está profundamente enterrado dentro de la región radiativa, por lo que no se vería desde el exterior”, dice Florence Marcotte, investigadora de la Universidad de Côte d’Azur en Francia.

Marcotte realizó la investigación, publicada el 19 de enero en la revista Ciencia, con Ludovic Petitdemange del Observatorio de París y Christophe Gissinger de École Normale Supérieure en Francia. Estudios previos del giro estelar habían analizado la dinámica de fluidos dentro de las estrellas, incluida la convección, que es la transferencia de energía por el hundimiento de materiales fríos y densos y el ascenso de materiales más calientes y menos densos. Pero estas fuerzas no fueron suficientes para explicar la pérdida de impulso en los núcleos estelares. Por lo tanto, dice Marcotte, los científicos sospechaban que los campos magnéticos dentro de las estrellas también debían jugar un papel, pero exactamente cómo podían formarse y mantenerse era un misterio.

Las estrellas están hechas de un gas caliente y cargado llamado plasma. A medida que fluye este plasma, el movimiento de las partículas cargadas puede crear campos magnéticos. Hasta ahora, una de las principales hipótesis sobre la desaceleración estelar sostenía que la atracción de estos campos magnéticos, amplificada por los movimientos del plasma, ralentiza la rotación del núcleo de la estrella. Imagine a un patinador artístico que gira siendo empujado por un compañero, su giro se ralentiza por la fuerza adicional sobre ellos.

Marcotte, Gissinger y Petitdemange se centraron en las regiones radiativas de las estrellas, áreas donde la energía se transfiere al irradiar hacia afuera y donde no hay convección. En estas regiones, se debatió el papel del campo magnético en la desaceleración estelar, dice Marcotte, porque nadie había construido un modelo numérico adecuado de cómo se podrían generar estos campos magnéticos. Al modelar el flujo de plasma en estas regiones en el nuevo estudio, los investigadores encontraron que incluso aquí, las estrellas pueden generar campos magnéticos, que luego ralentizan el giro del núcleo de la estrella. El proceso se desarrolló de manera inesperada en sus simulaciones: inicialmente, un flujo de plasma ordenado fortaleció exponencialmente los campos magnéticos en estas regiones. Los campos fortalecidos, a su vez, generaron su propio flujo turbulento de material estelar. Este movimiento turbulento caótico aumentó aún más cada campo magnético, lo que a su vez fortaleció la turbulencia en un bucle autosostenido, dice Gissinger. “En algún momento, el campo magnético se vuelve tan grande que ejercerá un par de torsión en la región interna de la estrella y girará hacia abajo”, dice. Una vez que se establece este patrón, el campo magnético y la turbulencia continúan sosteniéndose mutuamente, dice Marcotte, incluso si las condiciones en la estrella cambian para ser menos propensas a estos movimientos caóticos.

La nueva investigación es importante, dice Matteo Cantiello, astrofísico del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York, que no participó en el estudio. El sol es actualmente unas 100 veces más grande que la Tierra. Un día, dice, nuestra estrella natal colapsará en una enana blanca con el mismo diámetro que nuestro planeta. La mayor parte de la masa del sol de hoy estará empaquetada en ese espacio más pequeño. Sin conocer la física subyacente correcta, es imposible entender cómo evolucionarán el sol y otras estrellas envejecidas.

Es probable que la nueva simulación no capture toda la complejidad que ocurre en las estrellas reales, dice Cantiello. Pero si hace un mejor trabajo al igualar las observaciones reales de estrellas realizadas por telescopios como el telescopio espacial Kepler que los modelos anteriores, se convertirá en el nuevo paradigma de la física estelar.

Los científicos también esperan profundizar en la vida interior de las estrellas en el futuro. Un campo relativamente nuevo llamado asterosismología estudia las ondas detectables en el exterior de las estrellas para inferir lo que sucede en el interior. La astrosismología ya está proporcionando más información sobre la rotación de los núcleos estelares a lo largo de su vida, dice Cantiello. También puede ser posible algún día detectar indicios de los campos magnéticos encontrados en la nueva simulación. “Muy recientemente”, dice Marcotte, “la gente ha comenzado a inferir mediciones del campo magnético para las regiones profundas de las estrellas. Eso no era posible antes”.