El objeto estelar SVS 13

Mi pasión por la astrofísica, y por la física en general, comenzó durante el bachillerato. Entonces, estaba debatiéndome entre estudiar Física o una ingeniería. La duda me la quitó un profesor, paradójicamente de Tecnología Industrial, que me prestó ‘La historia del tiempo’ de Stephen Hawking. Ese libro despertó mi curiosidad y me permitió descubrir conceptos que iban mucho más allá de lo que se enseñaba en el currículo escolar; fue la chispa que me llevó a estudiar Física y, más adelante, especializarme en astrofísica.

Mi tesis doctoral se ha desarrollado en el ámbito de la formación estelar. En concreto, me he enfocado en el estudio de los jets protoestelares: potentes chorros de material eyectados desde el sistema disco/estrella, que tienen una morfología muy colimada y viajan a velocidades de cientos de kilómetros por segundo. Los jets protoestelares son fenómenos fascinantes y científicamente estimulantes: no fue hasta la década de 1980 cuando se demostró que estos jets están estrechamente relacionados con la formación de las estrellas, un descubrimiento que sorprendió a la comunidad científica, ya que nadie había previsto la existencia de estas eyecciones. A pesar de los avances logrados desde entonces, todavía se investiga cómo se originan estos jets, cómo se propagan y qué papel desempeñan en la formación tanto de las estrellas como de los planetas. Por lo tanto, haber tenido la oportunidad de dedicar mi tesis al estudio de estos fenómenos ha supuesto una experiencia muy enriquecedora desde el punto de vista científico.

Mis directores de tesis, Guillem Anglada y Mayra Osorio, tienen una amplia trayectoria en estudiar un objeto estelar joven en concreto, denominado SVS 13, que se encuentra a 300 pársecs en la región de formación estelar NGC 1333. En los años 2000, Guillem Anglada y colaboradores descubrieron, utilizando observaciones del VLA, que SVS 13 forma parte de un sistema binario en formación, constituido por dos protoestrellas que están separadas 90 unidades astronómicas. De las dos componentes, SVS 13 es la única visible en longitudes de onda ópticas e infrarrojas. SVS 13 es bien conocida por ser la protoestrella que impulsa los objetos “Herbig-Haro” 7-11: eyecciones que viajan a cientos de kilómetros por segundo, con aspecto de nebulosidades, especialmente llamativas en longitudes de onda ópticas. En 1990, SVS 13 sufrió un estallido en longitudes de onda ópticas e infrarrojas. Estas propiedades convierten a SVS 13 en un sistema ideal no solo para estudiar la dinámica de las eyecciones protoestelares, sino también para explorar la relación entre estos estallidos, típicos de estrellas jóvenes en formación, y ciertas características de los jets.

Fotografía del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Crédito: ESO/C. Malin

Durante la tesis, SVS 13 se acabó convirtiéndose en mi propio Moby Dick. La embarcación comenzó en una de las primeras reuniones con mis directores, cuando me mostraron las observaciones con las que trabajaría. Eran datos de SVS 13 obtenidos con el telescopio ALMA.

Ana Karla Díaz-Rodríguez, que entonces realizaba su doctorado en el IAA, ya estaba estudiando el disco protoplanetario de SVS 13 a partir de esas mismas observaciones; mi tesis, en cambio, trataría de su jet. Estas observaciones de ALMA destacan por su extraordinaria resolución y sensibilidad, una ventaja indiscutible desde el punto de vista científico, aunque también un reto para quien se enfrenta a ellas por primera vez: el nivel de detalle es tan elevado que revelan una diversidad de estructuras que a veces resultan difíciles de explicar. En particular, estas observaciones de ALMA mostraban una serie de extraños anillos en los canales de velocidad para los cuales no existían precedentes en este tipo de objetos.

Una tomografía cósmica del agitado embrión estelar SVS 13

Lo primero que tuvimos en cuenta para interpretar estas observaciones es que ALMA proporciona datos que pueden asemejarse a una tomografía médica, en el sentido de que las imágenes muestran diferentes “secciones” del objeto de estudio a distintas velocidades. A la izquierda de la Figura 1, se muestra esta visión ‘tomográfica’ obtenida por ALMA, donde vemos que la mayor parte de la emisión tiene forma de anillos. Los colores de los recuadros representan las velocidades a la que viaja el material, comprendida entre 100 km/s (azul) y 35 km/s (rojo). Una inspección detallada de los datos reveló que había secuencias de anillos cuya forma y posición cambian suavemente canal a canal. Cada una de las secuencias traza una cáscara alargada, con una morfología parecida a la de un paraboloide, teniendo su extremo abierto más cerca de la protoestrella y su ápice mas alejado de la estrella. En este ápice, se encuentran unos incrementos locales de brillo, típicos en los jets, que son denominados ‘nudos’.

Figura 1. Izquierda: Mapas de canales de la línea CO(J=3-2) obtenida por ALMA, mostrando una visión “tomográfica” del jet de SVS 13. Derecha: Imagen en longitudes de onda ópticas obtenida por el Telescopio Espacial Hubble (HST) en la que se aprecia la cavidad creada por los objetos “Herbig-Haro” 7-11 (emisión azulada). Créditos: Mayra Osorio, Guillem Anglada y Guillermo Blázquez-Calero, la imagen HST fue obtenida a través del Hubble Legacy Archive.

No obstante, nos faltaba una interpretación física, y nuestros colaboradores Alex Raga y Sylvie Cabrit jugaron un papel muy importante dándosela. Fuimos capaces de probar que la morfología, cinemática, y las masas de las cáscaras se explican de forma natural con un modelo analítico de choque de proa, producido por la interacción entre un jet supersónico con velocidad variable y el entorno.

En la Figura 2 se muestra un esquema de cómo ocurre esta interacción. En un jet con variaciones en la velocidad de eyección, el material más rápido alcanza al material más lento eyectado previamente, induciendo la formación de unas estructuras de dos choques denominadas ‘superficies internas de trabajo’. Este material comprimido se manifiesta como los ‘nudos’ del jet. Como consecuencia de las altas presiones en la superficie interna de trabajo, el material del jet es expulsado lateralmente e interacciona con el entorno, formando una estructura arqueada llamada ‘choque de proa’. Como símil, este choque de proa podría compararse a la ola que deja atrás la proa de un barco conforme avanza a través del agua. Las partes del choque de proa más cercanas al jet tienen velocidades parecidas a las del propio jet (en torno a 100 km/s, parte azul), mientras que las partes más alejadas, por haber sufrido mayor interacción con el ambiente, viajan a menor velocidad (alrededor de 35 km/s, parte roja). Por lo tanto, las observaciones ‘tomográficas’ de ALMA nos muestran una secuencia de anillos, que se tratan de diferentes secciones de los choques de proa.

Figura 2. El jet es eyectado por la estrella en formación a velocidades en torno a 100 km/s, en la dirección indicada por las flechas blancas. Si la velocidad de eyección del jet varía, se formarán “nudos” donde la presión del gas aumenta fuertemente, siendo el material del jet expulsado lateralmente (flechas blancas en los nudos) e interaccionando con el entorno. De esta interacción se forman las estructuras arqueadas denominadas “choques de proa”, donde la velocidades más altas están cerca del jet (en azul, alrededor de 100 km/s) y las velocidades más bajas están más alejadas (en rojo, alrededor de 35 km/s). ALMA nos propociona una visión “tomográfica”, puesto que las imágenes son secciones, en forma de anillos, de los choques de proa.

Nuestro modelado nos ha ayudado a comprender las propiedades dinámicas de los jets y cómo inyectan masa y momento al medio ambiente, cambios cruciales para comprender cómo se forman las estrellas. Además, las observaciones de ALMA nos han permitido asociar una fecha de nacimiento a cada nudo, es decir, podemos conocer en qué año se formaron en las partes del jet más cercanas a la protoestrella. Curiosamente, hemos encontrado que la fecha de nacimiento de uno de estos ‘nudos’ coincide con la época en la que SVS 13 sufrió un estallido, que hizo aumentar su luminosidad en longitudes de onda infrarrojas y ópticas en el año 1990. Esta coincidencia, por lo tanto, sugiere que los estallidos están relacionados con los cambios en velocidad de eyección de los jets, y que los jets conservan un historial de los estallidos que sufren las estrellas durante su formación.

Estos resultados fueron publicados en Nature Astronomy  y han constituido el núcleo principal de mi tesis doctoral. No obstante, seguimos trabajando en varias cuestiones que aún quedan por esclarecer. Uno de los trabajos futuros más prometedores consiste en monitorizar el brillo de SVS 13. La separación entre los nudos del jet y sus velocidades observadas indican que cada 35 años aproximadamente se forma un nudo y, por lo tanto, si los nudos están asociados a los estallidos, SVS 13 debería experimentar un incremento de brillo en los próximos años. Si esta predicción se confirma, proporcionaría una evidencia adicional que reforzaría significativamente nuestra interpretación.