Física estelar: vientos estelares y su influencia en los exoplanetas

Las misiones de investigación de telescopios espaciales como Kepler y TESS han descubierto una cantidad significativa de exoplanetas que orbitan muy cerca de sus asombrosas estrellas anfitrionas. Esta cercanía, hasta cien veces menor que la distancia entre la Tierra y el Sol, influye en el clima espacial de la zona. Esto conduce a temperaturas más altas en el planeta, lo que a su vez afecta su clima. La proximidad también podría provocar que los planetas pierdan parte de sus atmósferas con el tiempo, un fenómeno también conocido como escape atmosférico. Por tanto, es útil comprender qué factores influyen en los vientos estelares y determinar qué tan fuertes son.

En este contexto, un equipo de investigadores compuesto por Judy Chebly, Julián D. Alvarado-Gómez y Katja Poppenhäger del Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam (AIP) en colaboración con Cecilia Garraffo del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica de Cambridge, utilizó un nuevo método. Este estudio es el primer análisis exhaustivo de las propiedades de los vientos estelares asociados con diferentes tipos de estrellas frías. Pero ¿qué entendemos realmente por estrellas fantásticas?

Estrellas fantásticas

Nuestro sol pertenece al grupo de estrellas del sistema de la Vía Láctea llamadas estrellas frías. La mayoría de las estrellas de nuestra galaxia forman parte de ella. No son fríos en el sentido cotidiano; Más bien, el frío debe entenderse como una comparación relativa dentro del rango de temperaturas estelares. La temperatura de su superficie suele oscilar entre 2500 y 6500 grados Celsius y se dividen en cuatro clases correspondientes a los tipos espectrales F, G, K y M. Con una temperatura de aproximadamente 5500 grados Celsius, el Sol se encuentra en el centro de este espectro. de temperaturas y pertenece al grupo G. Las estrellas más brillantes y más grandes que el Sol entran en la categoría F, mientras que las estrellas K son ligeramente más pequeñas y más frías que el Sol. Las estrellas más pequeñas y débiles son las estrellas M, también llamadas enanas rojas debido al color de su espectro de luz. Sus temperaturas son relativamente bajas en comparación con las de las estrellas calientes, que tienen temperaturas superficiales de hasta decenas de miles de grados Celsius y se denominan estrellas O y B. Cada clase espectral se puede dividir en subgrupos de 0 a 9 para una clasificación más precisa. Esto da como resultado el tipo espectral G2 para nuestro sol.

Datos y simulaciones

Las observaciones muestran que las estrellas frías producen cantidades significativas de planetas de alta energía”). Si bien hemos obtenido información valiosa sobre el viento solar, gracias en parte a misiones como Solar Orbiter, nuestro conocimiento de fenómenos comparables en otras estrellas más frías es todavía relativamente limitado.

Es difícil observar directamente los vientos estelares. En cambio, los astrónomos intentan detectarlos indirectamente. Para ello, observan los efectos de los vientos sobre el gas y el polvo dispersos presentes en el espacio interestelar entre sistemas estelares: el medio interestelar (ISM). Cuando los vientos chocan con el gas interestelar, forman una pared de hidrógeno que produce efectos de absorción observables. Este método se llama técnica de absorción Lyman alfa. Sin embargo, depende en gran medida de la posición de la estrella con respecto a nosotros y de las propiedades del ISM circundante. Por lo tanto, el método proporciona información sólo sobre un número limitado de estrellas. Por este motivo, también se utilizan simulaciones y modelos por ordenador para predecir las diversas propiedades de los vientos estelares sin que los astrónomos tengan que observarlos directamente.

Para lograrlo, el equipo utilizó simulaciones numéricas de última generación realizadas en las instalaciones de supercomputación del AIP en Potsdam y en el Centro de Computación Leibniz (LRZ) en Garching. Para los cálculos se utilizó el Space Weather Modeling Framework (SWMF), un programa avanzado que reúne varios modelos que simulan diferentes aspectos del clima espacial. Estos incluyen, por ejemplo, modelos magnetohidrodinámicos de la magnetosfera y la corona solar o cálculos tridimensionales de la ionosfera planetaria. Desarrollado por la Universidad de Michigan, SWMF puede predecir de manera confiable el clima espacial en la Tierra.

Campos magnéticos de estrellas distantes.

El estudio se centró en estrellas de la secuencia principal, que cubren un rango de temperatura efectiva de 3.000 a 6.300 grados Celsius y tienen una masa inferior a 1,34 veces la de nuestro Sol. Los investigadores seleccionaron 21 estrellas a partir de las cuales se pudieron reconstruir los campos magnéticos en sus superficies. observaciones (ver “Campos magnéticos estelares”). Esto se logra mediante un método conocido como Zeeman-Doppler Imaging (ZDI). Se observan líneas espectrales cuya forma cambia bajo la influencia de un campo magnético (efecto Zeeman). El mapa de campo en la superficie de la estrella se obtiene tomando múltiples instantáneas mientras la estrella gira. Esto es similar a tomar imágenes de un patinador dando una vuelta y luego usar esas imágenes para crear una película. La muestra incluía estrellas con intensidades de campo magnético radial que oscilaban entre 5 y 1.500 Gauss. Estos valores son mayores que los del Sol (∼2 Gauss; 1 Gauss = 10^–4 Tesla) y la Tierra (~0,3 Gauss). Los tipos espectrales de las estrellas estudiadas van desde F7 a M6, y tienen períodos de rotación que oscilan entre 0,71 y 42,2 días. La de nuestro sol es de unos 27 días.

Vientos estelares y zona habitable.

La investigación reveló una conexión notable: las estrellas con campos magnéticos más fuertes que nuestro Sol tienen vientos estelares más rápidos. En algunos casos, la velocidad del viento superó cinco veces la velocidad del viento solar promedio, que es de unos 450 kilómetros por segundo. El estudio también proporcionó información valiosa sobre la fuerza de los vientos estelares en zonas habitables. Se trata de áreas alrededor de la estrella central donde los planetas rocosos podrían tener agua líquida en sus superficies, siempre que tengan una atmósfera con una presión superficial similar a la de la Tierra. El estudio reveló aquí condiciones moderadas, similares a las de la Tierra a su distancia del Sol, para las estrellas de los tipos espectrales F y G. Sin embargo, en las zonas habitables alrededor de estrellas más pequeñas y frías del tipo K y, los vientos son cada vez más fuertes. Tipos M, que tienen campos magnéticos más fuertes debido a su rotación a menudo rápida. Esto haría más difícil para los planetas mantener una atmósfera y, por tanto, tendría una influencia decisiva en la habitabilidad potencial (ver “Superficies de Alfvén”).

El equipo examinó cómo los parámetros estelares fundamentales, como la gravedad, la intensidad del campo magnético y el período de rotación, influyen en las propiedades clave de los vientos estelares, incluidas su velocidad y densidad. Los resultados proporcionan información sobre las propiedades del viento para estrellas de diferentes clases espectrales y muestran que una hipótesis anterior no es sostenible: las estrellas de diferentes clases espectrales no tienen los mismos vientos estelares, sino que son muy diferentes, y por lo tanto pierden diferentes cantidades de masa. Además, observar la superficie de Alfvén resultó crucial porque determina qué interacciones magnéticas puede haber entre una estrella y sus planetas. Si el campo magnético de un planeta actuara realmente como un escudo, tendría que ser más fuerte que el de la Tierra para resistir el viento estelar de una estrella fría K o M.

El autor desea agradecer al Dr. Julián Alvarado-Gómez por sus sugerencias y al Dr. Engin Keles por verificar la traducción.