Agua en la evolución estelar

Un planeta del tamaño de Júpiter abre un surco en un disco de gas y polvo alrededor de una estrella joven

Un equipo de investigadores españoles y mexicanos encabezado por Luis F. Miranda, del Instituto de Astrofísica de Andalucía, ha encontrado agua en una estrella agonizante en la Nebulosa Planetaria K3-35. El hallazgo, de gran trascendencia en el ámbito astronómico, podría llegar a explicar cómo pueden sobrevivir este tipo de moléculas en condiciones tan extremas y qué mecanismos las protegen de la intensa radiación estelar. Miranda analiza en El Cultural este descubrimiento.

Las estrellas como el Sol producen su energía a partir de la transformación del hidrógeno en helio en su núcleo. Cuando el hidrógeno se consume en el núcleo, la estrella sufre unos cambios espectaculares que representan el preludio de su muerte. El tamaño aumenta cientos de veces y la estrella se convierte en una gigante roja. Durante esta fase, la estrella expulsa su atmósfera formando una envoltura alrededor del núcleo estelar cada vez más caliente. Cuando la temperatura superficial del núcleo alcanza unos 30.000 grados, su intensa radiación ioniza (separa los electrones de los núcleos atómicos) la envoltura. Se observa entonces una envoltura brillante en expansión rodeando al núcleo estelar, "la estrella central", y se dice que la estrella está en su fase de Nebulosa Planetaria. Finalmente, la envoltura se diluye en el medio interestelar y sólo se observa la estrella central, una enana blanca, que se va enfriando lentamente hasta que su radiación es indetectable.

De gigante a Nebulosa
Se piensa que todas las estrellas con masas menores de unas ocho masas solares seguirán este proceso evolutivo. El Sol tiene ahora unos 5.000 millones de años. Deberán pasar otros 5.000 millones de años más para que se convierta en una gigante y unos mil millones de años después entrará en su fase de Nebulosa Planetaria. Las envolturas de las gigantes contienen una enorme variedad de moléculas que pueden ser detectadas a través de sus emisiones. El agua es una de estas moléculas. Su presencia se manifiesta por la intensa emisión máser (similar a la emisión de un láser pero en el rango de las microondas) de la molécula de agua y se localiza en las partes más internas de la envoltura, a distancias entre 10 y 100 Unidades Astronómicas (UA) (una UA es la distancia media Tierra-Sol, unos 150 millones de kilómetros) de la estrella. En la fase de Nebulosa Planetaria, la intensa radiación de la estrella central destruye las moléculas.

Dada su localización en la envoltura, las moléculas de agua son de las primeras en ser destruidas. Por lo tanto, la existencia de agua en una Nebulosa Planetaria estaba descartada. Dentro de este contexto, el descubrimiento de agua en la Nebulosa Planetaria K3-35 (localizada a unos 16.000 años luz de la Tierra) ha resultado sorprendente y en contradicción con las predicciones existentes. El descubrimiento ha sido realizado usando el sistema de radio telescopios VLA de la Fundación Nacional de la Ciencia de EE.UU. Este instrumento está compuesto por 27 radiotelescopios de 25 metros de diámetro cada uno que, funcionando al unísono, simulan un radiotelescopio de unos 30 kilómetros de diámetro. No sólo se ha detectado agua en K3-35 sino que, además, la enorme resolución angular (capacidad para distinguir detalles muy pequeños) del VLA ha permitido localizar en qué regiones de la nebulosa se encuentra. El agua está localizada en el disco de K3-35 a una distancia de 85 UA de la estrella central. Esta distancia es similar a la distancia a la cual se observa agua en las envolturas de las gigantes. Sorprendentemente, también se encuentra agua en dos regiones diametralmente opuestas de la nebulosa a 5.000 UA del centro coincidiendo con los extremos de dos chorros de gas que se mueven a velocidades supersónicas y que son típicos de las Nebulosas Planetarias. En ninguna gigante se observa agua a distancias tan alejadas de la estrella donde las condiciones físicas ya no son adecuadas para que se produzca la emisión. En la Nebulosa K3-35, los chorros de gas deben jugar un papel importante en la formación y emisión del agua a grandes distancias.

La coexistencia de agua con una envoltura ionizada indica que K3-35 es una Nebulosa Planetaria recién formada, justo en el proceso de transformación de gigante en Nebulosa Planetaria. Los datos sugieren que K3-35 entró en su fase de Nebulosa Planetaria después de 1984. La destrucción de las moléculas de agua en la fase de Nebulosa Planetaria no es un proceso instantáneo sino que puede durar unas pocas décadas. Este intervalo de tiempo es ínfimo comparado con la edad de la estrella central de K3-35 que, desde que se formó, puede ser de unos diez mil millones de años. Observar una fase que dura "prácticamente nada" dentro de la vida de una estrella era impensable.

Formación estelar
El agua está asociada a las estrellas durante gran parte de su vida. En las regiones de formación estelar existen moléculas de agua. En las estrellas ya formadas, como el Sol, el agua puede estar presente en sus cercanías. De hecho, en las proximidades del Sol, en la Tierra, existe agua. Agua seguimos encontrando en las gigantes, la última fase de la evolución estelar donde se pensaba que existiría. K3-35 demuestra que en una fase posterior, cuando la estrella está prácticamente muerta, el agua aún sigue estando presente. K3-35 ofrece una oportunidad única de estudiar la transformación de una gigante roja en una Nebulosa Planetaria. Al mismo tiempo, un descubrimiento inesperado como este plantea nuevos interrogantes a los investigadores. ¿Cómo puede el agua sobrevivir en las condiciones tan extremas que existen en su entorno? ¿Qué mecanismo protege a las moléculas de agua de la intensa radiación estelar?. ¿Como va a evolucionar la nebulosa?. ¿Asistiremos, quizá dentro de pocos años, a la desaparición del agua en K3-35?. Todos los interrogantes que se planteen motivarán investigaciones novedosas. Desde que comenzamos a observar K3-35 en 1997, nos hemos ido llevando sorpresas que han culminado con la primera detección de agua en una Nebulosa Planetaria. Es posible que ésta no sea la última sorpresa.