Rebobinando la evolución estelar: los últimos 400.000 años de pérdida de masa de una estrella

Las nebulosas planetarias constituyen la última fase en la evolución de las estrellas con una masa inicial de entre 0,8 y 8 masas solares, y aparecen como una estrella central compacta (los restos de la estrella progenitora) rodeada de una envoltura brillante de gas en expansión, producto de la fase anterior de gigante roja durante la que la estrella expulsa sus capas externas. En unas decenas de miles de años las planetarias se dispersan en el medio interestelar y, aunque a día de hoy se conocen más de tres mil quinientas, la carencia de observaciones adecuadas de muchas de ellas impide situarlas en un contexto evolutivo general. El estudio de K4-37, una de estas planetarias aún no observadas, ha aportado nuevas pistas hacia ese contexto.

«Disponíamos de imágenes de K4-37 obtenidas con CAFOS, un instrumento del telescopio de 2.2 metros del Observatorio de Calar Alto, hace casi veinte años. Debido a la baja calidad del cielo en aquellas fechas no nos pareció un objeto atractivo, pero nuevos datos obtenidos en 2014 y con mejores condiciones revelaron interesantes detalles, lo que nos impulsó a estudiar a fondo esta nebulosa», apunta Luis Miranda, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) que encabeza la investigación.

Izda: imagen en falso color de K4-37, obtenida con CAFOS en el telescopio de 2.2 metros del Observatorio de Calar Alto (CAHA). Las zonas en azul oscuro muestran las regiones más débiles de la nebulosa, y las rojas y amarillas las más brillantes. Dcha: imagen de archivo del satélite WISE, donde el color oscuro muestra regiones más brillantes y se señala la posición de la envoltura elíptica de polvo detectada.

UNA NEBULOSA CON VARIOS EJES Y UNA VIEJA ENVOLTURA DE POLVO

Las nuevas imágenes muestran la configuración que ya se conocía, en la que destacan un toroide ecuatorial y dos lóbulos bipolares (una estructura típica en muchas planetarias). Además, las imágenes revelan distorsiones en los lóbulos y, a partir de la reconstrucción de la estructura tridimensional de la nebulosa, ha podido determinarse que el toroide central y los lóbulos no son perpendiculares entre sí, sino que su proyección en el cielo hace que se observen como tales.

«Nuestro análisis muestra la existencia de tres ejes diferentes en K4-37, lo que indica que no se trata de una simple nebulosa bipolar sino de un objeto más complejo cuya formación requiere la intervención de varias eyecciones bipolares y en distintas direcciones. La edad estimada de la nebulosa, unos diez mil años, implica que K4-37 se halla en un estadio muy avanzado en su evolución», señala Miranda (IAA-CSIC).

Los investigadores han logrado, además, recabar información sobre la estrella progenitora de la nebulosa planetaria, que se halla a unos 45.700 años luz de distancia. Mediante el estudio de las abundancias de ciertos elementos químicos presentes en K4-37, que son el resultado de las reacciones nucleares que tuvieron lugar en la estrella a lo largo de su vida y que están estrechamente relacionados con su masa inicial, se ha establecido que la estrella progenitora tenía una masa inicial de entre cuatro y seis masas solares. Igualmente, se ha calculado el tamaño de la nebulosa en el rango óptico, unos 2,3 x 0,8 años luz.

El análisis de las imágenes de la nebulosa en el catálogo del satélite WISE, que observa en el infrarrojo, reveló otro detalle inesperado. «Hallamos que la nebulosa se halla rodeada por un enorme envoltura elíptica de polvo, de unos 43 x 26 años luz de tamaño, con una edad de unos 430.000 años. Si la edad de la nebulosa en el óptico marca, aproximadamente, el momento en el que la estrella central entró en la fase de nebulosa planetaria, la envoltura elíptica corresponde a la etapa previa de gigante roja, en la que tiene lugar una gran pérdida de masa», indica Miranda (IAA-CSIC).

Este tipo de envolturas de polvo se han observado en estrellas muy evolucionadas, como resultado de la interacción entre el gas expulsado en las últimas fases y el medio interestelar. Sin embargo, se trata de la primera vez que esta estructura se detecta en una nebulosa planetaria envejecida y, además de mostrar un tamaño muy superior a las conocidas, su forma elíptica resulta poco compatible con la forma esférica en la que se espera se produzca la eyección de material en las gigantes rojas. Los investigadores sugieren que esa forma elíptica podría deberse a la interacción con el campo magnético interestelar o a la existencia de una estrella compañera.

«Existe un gran contraste entre la sencilla forma de la envoltura elíptica y la compleja estructura de la nebulosa. Esto apunta a que, justo en el periodo anterior a la entrada en la fase de nebulosa planetaria o durante la misma, se produjo un cambio fundamental en algunas de las propiedades de la estrella que generó esas distintas morfologías. Curiosamente, la estrella central del K4-37 aún no ha podido detectarse, y puede que se trate de una estrella binaria, lo que explicaría la complejidad de la nebulosa», concluye Luis Miranda (IAA-CSIC).

La investigación ha sido fruto de una colaboración entre el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), el Instituto de Astronomía-UNAM (México) y la Universidad de Sonora (México).