Diamantes cósmicos

Después de escribir sobre las kilonovas, hoy he decidido abordar otro tema también relacionado con las estrellas compactas, pero que no implican colisiones entre objetos compactos o similares.

El tema de hoy son las enanas blancas que forman colores cristalinos de oxígeno metálico y carbono a medida que se enfrían gradualmente. En otras palabras, cómo las enanas blancas se convierten en grandes "diamantes" con el tiempo.

Este tema también se correlaciona con el artículo que escribí sobre las kilonovas, ya que producen docenas de masas terrestres de oro y platino, y las enanas blancas, con el tiempo, tienen su interior transformado en verdaderos "diamantes cósmicos gigantes".

Se observan enanas blancas transformándose en cristales

Las enanas blancas son los restos de estrellas de tamaño mediano similares a nuestro Sol. Una vez que estas estrellas han quemado todo el combustible nuclear de su núcleo, se desprenden de sus capas externas, dejando tras de sí un núcleo caliente que comienza a enfriarse.

Estos remanentes ultradensos aún emiten radiación térmica al enfriarse y son visibles para los astrónomos como objetos bastante tenues.

Se estima que hasta el 97 % de las estrellas de nuestra Vía Láctea se convertirán eventualmente en enanas blancas, mientras que las estrellas más masivas terminarán como estrellas de neutrones o agujeros negros.

El enfriamiento de las enanas blancas dura miles de millones de años. Una vez que alcanzan cierta temperatura, la materia originalmente caliente dentro del núcleo de la estrella comienza a cristalizarse, solidificándose.

El proceso es similar al del agua líquida que se convierte en hielo en la Tierra a cero grados Celsius, excepto que la temperatura a la que ocurre esta solidificación en las enanas blancas es extremadamente alta: alrededor de 10 millones de grados Celsius.

Impresión artística de la cristalización en una estrella enana blanca.

Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Warwick, dirigido por el astrónomo Pier-Emmanuel Tremblay, seleccionó 15.000 candidatas a enanas blancas a unos 300 años luz de la Tierra a partir de observaciones realizadas por el telescopio espacial Gaia y analizó datos sobre la luminosidad y el color de las estrellas.

Identificaron una acumulación, un exceso de estrellas con colores y luminosidades específicos que no se corresponden con una masa o edad específicas.

"Observamos una acumulación de enanas blancas de ciertos colores y luminosidades que, de otro modo, no estarían relacionadas entre sí en términos de su evolución", explicó el Dr. Tremblay.

Nos dimos cuenta de que no se trataba de una población específica de enanas blancas, sino del efecto del enfriamiento y la cristalización predichos hace 50 años.

El calor liberado durante este proceso de cristalización, que dura varios miles de millones de años, parece ralentizar la evolución de las enanas blancas: las estrellas dejan de atenuarse y, como resultado, parecen hasta dos mil millones de años más jóvenes de lo que realmente son.

Esto, a su vez, influye en nuestra comprensión de las agrupaciones estelares a las que pertenecen estas enanas blancas.

“Las enanas blancas se utilizan tradicionalmente para determinar la edad de poblaciones estelares, como cúmulos estelares, el disco exterior y el halo de nuestra Vía Láctea”, afirmó el Dr. Tremblay.

“Ahora tendremos que desarrollar mejores modelos de cristalización para obtener estimaciones más precisas de la edad de estos sistemas”.

No todas las enanas blancas cristalizan al mismo ritmo. Las estrellas más masivas se enfrían más rápidamente y alcanzarán la temperatura de cristalización en aproximadamente mil millones de años.

Las enanas blancas con masas menores, más cercanas a la fase final prevista del Sol, se enfrían más lentamente, tardando hasta seis mil millones de años en convertirse en esferas sólidas.

Al Sol aún le quedan unos cinco mil millones de años para convertirse en una enana blanca, y los astrónomos estiman que tardará otros cinco mil millones de años en enfriarse y convertirse en una esfera cristalina.

“Todas las enanas blancas cristalizarán en algún momento de su evolución, aunque las enanas blancas más masivas pasan por este proceso antes”, afirmó el Dr. Tremblay.

“Esto significa que miles de millones de enanas blancas en nuestra galaxia ya han completado el proceso y son esencialmente esferas de cristal en el cielo”.

“El propio Sol se convertirá en una enana blanca cristalina en unos 10 000 millones de años”.

El estudio se publicó en la revista Nature el 9 de enero de 2019.

Las enanas blancas son los remanentes estelares de estrellas como nuestro Sol. Son objetos extraños, y los astrofísicos creen que sus núcleos pueden cristalizar en enormes diamantes. Pero aún necesitan encontrar más de estos extraños objetos y conocer sus edades para comprender cómo y cuándo ocurre esto.

Cuando las estrellas con masas similares a la de nuestro Sol agotan su hidrógeno, la fusión cesa. En ese momento, abandonan la secuencia principal y se convierten en gigantes rojas. Se desata el caos a medida que la pérdida de masa de la estrella debilita su gravedad propia. Ya no puede mantenerse unida, y sus capas externas se desprenden al espacio, creando la hermosa nebulosa planetaria que todos hemos visto en las imágenes de telescopios. Estas nebulosas no duran mucho, quizás 10.000 años.

Pero ese no es el final de la estrella. Lo que queda de ella es una enana blanca, un núcleo estelar remanente tan grande como la Tierra y tan masivo como el Sol.

Las enanas blancas son densos globos de materia, mayormente degenerados en electrones, que perduran durante billones de años. Aunque han dejado atrás su vida de fusión, aún irradian suficiente energía térmica para iluminar las capas gaseosas que desprenden, alimentando la magnífica nebulosa que dejan tras de sí.

En la primera semana de junio de 2023, un artículo aceptado para su publicación por Monthly Notices of the Royal Astronomical Society y disponible en el servidor de preimpresión arXiv detalló el descubrimiento de una enana blanca que entra en la fase de cristalización, es decir, se transforma en una especie de "diamante cósmico". Según la investigación, realizada por un equipo internacional de astrónomos, esto ocurre a medida que este tipo de estrella muerta se enfría.

Los científicos han detectado la enana blanca, compuesta principalmente de carbono y oxígeno metálico, a tan solo 104 años luz de la Tierra. Según el estudio, el perfil de temperatura-masa sugiere que el núcleo de la estrella se está volviendo denso y duro.

El núcleo de una enana blanca es inicialmente líquido. Con el tiempo, la estrella envejece y se enfría, y el líquido cristaliza, solidificándose. A medida que esto sucede, aumenta el calor liberado por la estrella. Este calor es una señal y se ha predicho que corresponde a secuencias distintas que las enanas blancas recorren en el diagrama de Hertzsprung-Russell. Si bien esta teoría es muy buena, se carece de mediciones precisas de la temperatura y la edad de las enanas blancas. Esto ha impedido que los astrónomos detecten el fenómeno de la cristalización.

Este diagrama, conocido como diagrama de Hertzsprung-Russell, combina información sobre el brillo, el color y la distancia de más de 15.000 enanas blancas a menos de 300 años luz de la Tierra. Los datos, mostrados como puntos negros, proceden de la segunda publicación del satélite Gaia de la ESA. En el diagrama, las líneas azules muestran la secuencia de enfriamiento de enanas blancas con diferentes masas (0,6, 0,9 y 1,1 veces la masa del Sol, respectivamente), según lo predicho por los modelos teóricos. Al analizar los datos de Gaia, Tremblay et al. descubrieron una acumulación de enanas blancas de ciertos colores y luminosidades (resaltadas con líneas naranjas) que, de otro modo, no estarían relacionadas entre sí en términos de su evolución.

“En este trabajo, presentamos el descubrimiento de un nuevo sistema cuádruple similar a Sirio, a 32 pársecs de distancia, que consiste en una enana blanca cristalina compañera de la triple HD 190412, previamente conocida”, informa el equipo dirigido por Alexander Venner, de la Universidad del Sur de Queensland en Australia.

“Gracias a su asociación con estas compañeras de la secuencia principal, esta es la primera enana blanca cristalina cuya edad total puede determinarse externamente, un hecho que aprovechamos para intentar medir empíricamente un retraso en el enfriamiento causado por la cristalización del núcleo en la enana blanca”, afirmó Venner.

La materia en las estrellas enanas blancas está muy comprimida, pero la presión de degeneración electrónica impide que colapse aún más. Dado que los electrones son partículas mecanocuánticas que obedecen al principio de exclusión de Pauli, dos electrones no pueden ocupar estados idénticos, lo que impide que la enana blanca se vuelva aún más densa, como ocurre en una estrella de neutrones o un agujero negro.

Aunque son tenues, las estrellas enanas blancas aún brillan con calor residual. Con el tiempo, se enfrían y evolucionan a enanas negras cuando pierden todo su calor y se convierten en una masa fría de carbono cristalizado.

Cuando una estrella enana blanca se queda sin combustible, su núcleo colapsa formando un objeto cristalizado ultradenso, similar al diamante, de aproximadamente el tamaño de la Tierra pero con una masa de hasta 1,4 soles.

Las enanas blancas son objetos verdaderamente extraños. Tras miles de millones de años de fusión, se transforman en algo completamente diferente. Pasan de ser bolas de plasma ardientes a masas de carbono degeneradas que finalmente cristalizan en diamantes con una vida útil inimaginable.

Los cálculos sugieren que este proceso tarda alrededor de un cuatrillón de años. Dado que el universo tiene tan solo unos 13.800 millones de años, los científicos no esperan ver una enana negra en un futuro próximo. Lo que sí pueden hacer es identificar signos de cristalización en los núcleos de las enanas blancas observadas.

Durante la cristalización, los átomos de carbono y oxígeno dentro de la enana blanca dejan de moverse libremente y forman enlaces, organizándose en una red cristalina. Durante este proceso se libera energía, que se disipa en forma de calor. Esto produce una especie de meseta o desaceleración en el enfriamiento de la estrella, que se puede identificar en su color y brillo, haciéndola parecer más joven de lo que realmente es.

Para medir con precisión el brillo de una estrella, es necesario saber exactamente a qué distancia se encuentra, algo que se ha simplificado mucho en los últimos años gracias al mapeo estelar de alta precisión de la Vía Láctea realizado por la misión Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA). Esto significa que ahora es posible identificar enanas blancas en proceso de cristalización con mucha mayor certeza.

Venner y su equipo utilizaban estos datos para localizar diversos sistemas estelares, identificando estrellas cuya asociación con otras podría no estar clara, cuando observaron que una enana blanca estaba gravitacionalmente ligada a lo que se creía un sistema triplete llamado HD 190412.

Además de descubrir la enana blanca, ahora llamada HD 190412 C, lo que convierte al triplete en un cuaternario, los investigadores identificaron que las propiedades de la estrella indican un proceso de cristalización.

Los científicos han calculado con precisión la edad de la estrella HD 190412 C, algo que nunca se había hecho antes para una enana blanca cristalina conocida.

Si bien la densidad de las enanas blancas supera las 10³ t/cm³ (1000 toneladas por cm³), la del diamante es de aproximadamente 3,5 t/m³ (3,5 toneladas por m³), ​​por lo que no está claro que el núcleo de esta estrella se esté convirtiendo en diamante.

El sistema tiene aproximadamente 7300 millones de años, y sus estrellas previamente conocidas permitieron al equipo calcular la edad externa de la enana blanca, algo nunca antes realizado para una enana blanca cristalizante conocida.

Los investigadores determinaron que podría tener alrededor de 4200 millones de años. Según ellos, la discrepancia de 3100 millones de años sugiere que la tasa de cristalización ralentizó la tasa de enfriamiento de la enana blanca en aproximadamente mil millones de años.

La datación por sí sola no es suficiente para cambiar los modelos conocidos de cristalización de enanas blancas, pero este descubrimiento y su proximidad a la Tierra indican que podría haber muchos más sistemas de este tipo que podrían explorarse para analizar este fascinante proceso. “Concluimos que el descubrimiento del sistema 190412 HD ha abierto un nuevo camino para comprender la cristalización de las enanas blancas”, afirma el artículo.

Las kilonovas, como principal fuente de elementos pesados ​​como el oro, el plutonio y el platino, y las enanas blancas que se están cristalizando con el tiempo y se transformando en diamantes gigantes de hasta 10 quintillones de quilates, como se estimó para la enana blanca BPM 37093 en 2004, resaltan que poner una corona en el escudo de armas de la República Independiente de Estrellas Compactas fue una gran y creativa decisión.

Es maravilloso ver cómo las estrellas compactas tienen un carácter tan importante para nosotros, los seres humanos, permitiéndonos comprender mejor todo lo que nos rodea en nuestra vida diaria y también haciéndonos ver que la astronomía y la astrofísica son áreas que merecen mucho estudio.

Fuentes:

1. https://www.sci.news/astronomy/white-dwarf-crystals-06805.html
2. https://news.sky.com/story/billions-of-white-dwarf-stars-are-crystallising-say-astronomers-11603541
3. https://www.universetoday.com/articles/a-white-dwarf-is-starting-to-crystallize-into-diamond
4. https://academic.oup.com/mnras/article/523/3/4624/7193381
5. https://arxiv.org/abs/2306.03140
6. https://olhardigital.com.br/2023/06/11/ciencia-e-espaco/estrela-ana-branca-se-transforma-em-um-diamante-cosmico/
7. https://www.bbc.com/portuguese/ciencia/story/2004/02/printable/040216_diamamnterc