¿Qué es una estrella?

Las vemos en el cielo por las noches, inspiran nuestros mitos y leyendas, las sabemos dibujar desde pequeños e incluso las colgamos en nuestro árbol de Navidad. Sin embargo, ¿qué es realmente una estrella? ¿por qué existen?

Tiempo atrás dedicamos un artículo en Re-Evolución Estelar para explicar por qué las estrellas vienen en diferentes colores, pero no nos adentramos a explicar qué ocurre específicamente en el interior de ellas. Esto, debido a que es mucha la información disponible y se hace muy difícil resumirla. Las estrellas, a pesar de parecer meros puntos brillantes en la noche, son estructuras complejas que albergan un sinfín de procesos físicos tanto en su interior como en sus capas más exteriores. Es por estos procesos que hay estrellas de distintos tamaños, distintos colores y distintas estructuras. Lo más asombroso es que dichas propiedades no son inmutables, una estrella pasará por diferentes tamaños, colores y estructuras a lo largo de su vida: ¡evolucionan en el tiempo! El estudio de las estrellas en el Universo es un tópico tan grande que tiene reservada su propia sección en el mundo de la Astronomía: la Astrofísica Estelar.

Para adentrarnos en este fascinante tema, partiremos por el principio: ¿qué es, astrofísicamente hablando, una estrella?

En el equilibrio está la perfección

Una estrella puede definirse como un objeto celestial compuesto de plasma, ligado por su propia gravedad, en el cual la energía térmica en su interior se produce por un proceso no-térmico (reacciones nucleares). La energía desde su interior es irradiada en forma de ondas electromagnéticas hacia el espacio exterior, razón por la cual vemos las estrellas brillar ¿Qué significa que la energía térmica en su interior se produzca por un proceso no térmico? Significa que el origen de la energía almacenada en las estrellas no proviene del simple movimiento aleatorio de sus átomos. Toda la materia en el Universo (incluidos nosotros) emite radiación térmica producida por el movimiento al azar de las partículas que la componen. Naturalmente las estrellas también producen radiación térmica, pero ésta por sí sola no es capaz de explicar la inmensa cantidad de energía liberada al espacio en forma de luz y calor. Debe haber otro(s) proceso(s) responsable(s) entonces, pero nos adentraremos en ellos más tarde.

¿Por qué una estrella está ligada (unida) por su propia gravedad? La fuerza atractiva de gravedad debería hacer que toda la materia que compone la estrella se concentre en un solo punto, pero en cambio tenemos que se forma una esfera con una superficie estable. La mayoría de las estrellas (como el Sol) no cambian abruptamente su tamaño, por lo que dicha superficie se mantiene constante. Diremos que la superficie de la estrella está en equilibrio hidrostático, es decir, la sumatoria total de fuerzas ejercidas sobre lo que compone la superficie de la estrella es igual a cero al igual que una boya en el mar. El cilindro de la imagen la ejemplifica:

¿Cuáles son las fuerzas en pugna aquí? Una de ellas es la fuerza de gravedad, que impulsa al cilindro de materia hacia abajo (flecha roja). Y la otra fuerza se produce por la diferencia de presión entre P(r) y P(r+dr) la cual, al ser aplicada sobre una superficie específica equivale a una fuerza (recordemos que presión=fuerza/superficie). Dicha presión debe ser naturalmente generada desde el interior de la estrella, de otro modo, la estrella no soportaría el peso de la gravedad y colapsaría. Parte de esta presión proviene de la propia estructura de la estrella: a medida que nos acercamos al centro la densidad aumenta, lo cual se traduce también en un aumento de presión. Pero por sí sola no basta, se requiere de más presión para sostener todo el peso de la estrella. Debido a que ésta se produce a partir de la radiación generada en el núcleo, se le llamará presión de radiación.

En un artículo previo, explicamos cómo el Sol genera su energía a partir de la fusión termonuclear: los átomos de hidrógeno se unen para formar helio, liberando energía en el proceso. Dado que el Sol es sólo una de las tantas millones de estrellas existentes, dicho proceso es similar en sus hermanas. La energía en forma de fotones ‘se abre paso’ a través de la estrella desde su interior, generando por una parte la ya mencionada presión de radiación y haciendo brillar a la estrella (los fotones son liberados hacia el espacio exterior una vez que alcanzan la superficie estelar).

hydro

Esquema de las fuerzas en pugna al interior de una estrella. Imagen de ryanoursun.wikispaces.com 

Finalmente, debemos considerar que el equilibrio hidrostático mencionado aquí (entre la gravedad y la presión) hace que la estrella tenga una superficie estable pero también que tenga un tamaño estable (con un radio R fijo). Dicho radio depende claramente de la masa de la estrella pero también depende de la temperatura, la cual está directamente relacionada con la presión y su origen. Esto se vuelve relevante luego, cuando veamos que la presión de radiación sufrirá modificaciones a lo largo de la vida de la estrella y por tanto el R necesario para que el equilibrio hidrostático se conserve cambiará. Por consiguiente, la estrella se expandirá o contraerá en tamaño.

Y el origen de todas… el colapso de una nube

Perfecto, sabemos entonces que una estrella es una esfera en equilibrio hidrostático gracias a la cancelación de dos fuerzas en disputa: la gravedad y la fuerza de presión. Sabemos también que esta presión tiene mayoritariamente su origen en los procesos termonucleares que ocurren en el corazón de la estrella. La pregunta ahora es, ¿y cómo se forman?

La respuesta la encontramos en las nebulosas, gigantescas concentraciones de polvo y gas flotando en el espacio exterior. Podemos imaginarlas como nubes similares a las que vemos en la tierra, pero obviamente mucho más grandes y con distinta composición de gases. Lo cierto es que sobre nebulosas podemos rellenar un capítulo entero hablando sobre ellas, pero ahora nos enfocaremos en lo que nos convoca: el nacimiento de una estrella.

Al igual que una nube, las nebulosas presentan un movimiento aleatorio, determinada únicamente por la gravedad del gas sobre sí mismo. ¿Por qué la nebulosa no colapsa? Por la misma razón que la gravedad del Sol no nos empuja hacia él: la Tierra gira a una velocidad (energía cinética) tal que la gravedad sólo le hace orbitar (aceleración centrípeta). En una nebulosa, la densidad es baja y las partículas tienen la energía cinética suficiente para no atraerse. Sin embargo, hay excepciones. La densidad total de la nube es sólo un promedio: hay lugares donde es mayor y donde es menor, determinados únicamente de forma aleatoria. Pero es en estos lugares de mayor densidad en donde la gravedad sí es capaz de vencer a la energía cinética de las partículas y comienza el colapso.

Durante el colapso, la densidad en el punto central comenzará a aumentar, pero también lo hará la temperatura. Como consecuencia, el centro estará cada vez más caliente, alcanzando los millones de grados Celsius. A semejante temperatura ya no existen moléculas, ni siquiera existen átomos propiamente tal con protones y electrones. Sólo existen núcleos atómicos, los cuales están tan apretados que comienzan a chocar entre ellos… dando inicio a las reacciones termonucleares mencionadas al principio y dando entonces origen a una estrella.

Es importante recalcar que para que un colapso en una nebulosa produzca una estrella debe superar una cierta masa crítica. Si la masa reunida en torno a un punto es menor a lo esperado, la temperatura en el centro será alta pero no lo suficiente para iniciar reacciones nucleares (como los planetas gaseosos). Lo principal para convertirse en una estrella es que su núcleo sea capaz de quemar hidrógeno, ya sea por proceso protón-protón (como el caso del Sol y estrellas similares) o por ciclo CNO (como las estrellas más masivas). El ciclo p-p lo introducimos previamente, mientras que del ciclo CNO hablaremos más adelante, cuando abordemos el tópico de estrellas masivas.

m41-dso-ngc-2287-hires

Los colapsos mencionados aquí son locales: sólo alrededor de aquellos puntos lo suficientemente cercanos a estas zonas de sobredensidad, y no sobre toda la nebulosa. Por ende, a partir de una nebulosa (que alcanzan tamaños de 10 años-luz y tener 10 mil veces la masa del Sol) no nace una sola estrella gigante sino que varias y de múltiples tamaños. Dependiendo de cuánta masa haya sido capaz de reunir una zona de sobredensidad, tendremos estrellas de mayor o menor tamaño, traducido también en estrellas más o menos luminosas, más o menos calientes y de distintos colores. Cada una de estas estrellas, independiente del tamaño con el que nazcan, comenzarán sus vidas quemando hidrógeno. Sin embargo, sufrirán destinos distintos a lo largo de su vida dependiendo precisamente de con cuánta masa nacieron. La evolución estelar es un tópico inmenso y que depende de muchos factores, algunos de los cuales no alcanzamos a mencionar aquí (como la rotación). Sin embargo, lo iremos abordando en artículos posteriores.

Por el momento, hemos aprendido acerca de qué es una estrella desde el punto de vista astrofísico: una esfera gigante en equilibrio hidrostático quemando hidrógeno en su interior. Dicho equilibrio se logra a un radio R, que determina el tamaño de la estrella. Estos radios R son inmensos: sólo el del Sol equivale a 695 mil kilómetros (la Tierra tiene un radio de sólo 6.380, km). Incluso las estrellas más pequeñas son al menos 10 veces más grandes que la Tierra. Esto es sólo una pequeña muestra de lo insignificantes que somos nosotros comparados con ellas. Las estrellas no están hechas para nosotros, somos irrelevantes para ellas. Por tal razón, es absurdo pensar que pueden influenciar en nuestras vidas (astrología). Sólo pueden influir sobre nosotros cuando las estudiamos, o cuando simplemente nos tumbamos en el pasto de noche a observarlas. Porque Pumba tenía razón: las estrellas son bolas de gas quemándose a millones de kilómetros de distancia.

Anuncios

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s