La misión TESS de la NASA, crea una “sinfonía” de estrellas gigantes rojas

Utilizando observaciones de Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA, los astrónomos han identificado una colección sin precedentes de estrellas gigantes rojas pulsantes en todo el cielo. Estas estrellas, cuyos ritmos surgen de ondas sonoras internas, proporcionan los acordes iniciales de una exploración sinfónica de nuestro vecindario galáctico.

TESS principalmente busca planetas más allá de nuestro sistema solar, también conocidos como exoplanetas. Este satélite es ideal para estudiar las oscilaciones estelares, un área de investigación llamada astrosismología.

“Nuestro resultado inicial, utilizando medidas estelares durante los primeros dos años de TESS, muestra que podemos determinar las masas y tamaños de estos gigantes oscilantes con una precisión que solo mejorará a medida que TESS avanza”, dijo Marc Hon, miembro del Hubble de la NASA en la Universidad de Hawaii, en Honolulu. “Lo que es realmente incomparable aquí, es que la amplia cobertura de TESS, nos permite realizar estas mediciones de manera uniforme en casi todo el cielo”.

En el vídeo se describe la nueva muestra de estrellas gigantes rojas oscilantes (puntos de colores) descubierta por el Transiting Exoplanet Survey Satellite de la NASA. Los colores se asignan a cada franja de cielo de 24 por 96 grados observada durante los primeros dos años de la misión. Luego, la vista cambia para mostrar las posiciones de estas estrellas dentro de nuestra galaxia, según las distancias determinadas por la misión Gaia de la ESA (Agencia Espacial Europea). La escala muestra distancias en kiloparsecs, cada una igual a 3.260 años luz, y se extiende a casi 20.000 años luz del Sol.
Créditos: Crédito: Kristin Riebe, Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam.

Hon presentó la investigación durante la segunda TESS Science Conference, un evento apoyado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge, que se lleva a cabo virtualmente del 2 al 6 de agosto, en el que los científicos discuten todos los aspectos de la misión. El Astrophysical Journal ha aceptado un artículo dirigido por Hon,que describe los hallazgos.

Las ondas sonoras que viajan a través de cualquier objeto (una cuerda de guitarra, un tubo de órgano o el interior de la Tierra y el Sol) pueden reflejarse e interactuar, reforzando algunas ondas y anulando otras. Esto puede resultar en un movimiento ordenado llamado ondas estacionarias, que crean los tonos en los instrumentos musicales.

Justo debajo de la superficie de estrellas como el Sol, el gas caliente se eleva, se enfría y luego se hunde, donde se calienta nuevamente, como una olla con agua hirviendo al fuego. Este movimiento produce ondas de presión cambiante, ondas sonoras que interactúan, provocando en última instancia oscilaciones estables con períodos de unos pocos minutos que producen cambios sutiles de brillo. Para el Sol, estas variaciones ascienden a unas pocas partes por millón. Las estrellas gigantes con masas similares a las del Sol pulsan mucho más lentamente y los correspondientes cambios de brillo pueden ser cientos de veces mayores.

Las oscilaciones en el Sol se observaron por primera vez en la década de 1960. El telescopio espacial French-led Convection, Rotation and planetary Transits (CoRoT, por sus siglas en inglés), que operó de 2006 a 2013, detectó oscilaciones de tipo solar en miles de estrellas. Las misiones Kepler y K2 de la NASA, que inspeccionaron el cielo de 2009 a 2018, encontraron decenas de miles de gigantes oscilantes. Ahora TESS amplía este número otras 10 veces.

“Con una muestra tan grande, las gigantes que pueden ocurrir solo el 1% de las veces, se vuelven bastante comunes”, dijo el coautor Jamie Tayar, miembro del Hubble de la Universidad de Hawai. “Ahora podemos empezar a pensar en encontrar ejemplos aún más raros”.

Las diferencias físicas entre un violonchelo y un violín producen sus tonos distintivos. De manera similar, las oscilaciones estelares que observan los astrónomos dependen de la estructura, masa y tamaño interior de cada estrella. Esto significa que la astrosismología puede ayudar a determinar propiedades fundamentales para un gran número de estrellas con un nivel de precisión que no se puede lograr de ninguna otra manera.

Las mediciones de brillo de tres gigantes rojas en la constelación de Draco, tomadas por el Transiting Exoplanet Survey Satellite de la NASA, se han asignado a tonos audibles, para ello, los astrónomos multiplicaron 3 millones de veces las frecuencias de oscilación de las estrellas. Las estrellas más grandes producen pulsaciones más largas y profundas que las más pequeñas.
Crédito: NASA/MIT/TESS y Ethan Kruse (USRA), M. Hon et al., 2021.

Cuando las estrellas similares en masa al Sol evolucionan a gigantes rojas, que supone la penúltima fase de sus vidas estelares, sus capas externas se expanden 10 o más veces. Estas vastas envolturas gaseosas pulsan con períodos más largos y amplitudes más grandes, lo que significa que sus oscilaciones se pueden observar en estrellas más débiles y numerosas.

TESS monitorea grandes franjas del cielo a la vez, utilizando sus cuatro cámaras, durante aproximadamente un mes. Durante su misión principal de dos años, TESS cubrió aproximadamente el 75% del cielo, cada cámara capturó una imagen completa de 24 por 24 grados, cada 30 minutos. A mediados de 2020, las cámaras comenzaron a recopilar estas imágenes a una frecuencia aún más rápida, cada 10 minutos.

El Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA, tomó imágenes de aproximadamente el 75% del cielo durante su misión principal de dos años. Esta trama se disuelve entre el mapa del cielo de TESS y un “mapa de masas” construido mediante la combinación de mediciones de TESS de 158.000 estrellas gigantes rojas oscilantes, con sus distancias establecidas por la misión Gaia de la ESA (Agencia Espacial Europea). La banda prominente en ambas imágenes es la Vía Láctea, que marca el plano central de nuestra galaxia. En el mapa de masas, el verde, el amarillo, el naranja y el rojo muestran dónde las estrellas gigantes promedian más de 1,4 veces la masa del Sol. Estas estrellas evolucionan más rápido que el Sol, convirtiéndose en gigantes a edades más tempranas. La estrecha correspondencia de las gigantes de mayor masa con el plano de la Vía Láctea, que contiene los brazos espirales de nuestra galaxia, demuestra que contiene muchas estrellas jóvenes.
Crédito: NASA/MIT/TESS y Ethan Kruse (USRA), M. Hon et al., 2021.

Las imágenes se utilizaron para desarrollar curvas de luz (gráficos de brillo cambiante) de casi 24 millones de estrellas durante 27 días, el tiempo que TESS observa cada franja del cielo. Para examinar esta inmensa acumulación de datos, Hon y sus colegas enseñaron a un ordenador a reconocer gigantes pulsantes. El equipo utilizó el aprendizaje automático, una forma de inteligencia artificial que entrena a los ordenadores para tomar decisiones basadas en patrones generales, sin programarlos explícitamente.

Para entrenar el sistema, el equipo utilizó curvas de luz de Kepler de más de 150.000 estrellas, de las cuales unas 20.000 eran gigantes rojas oscilantes. Cuando la red neuronal terminó de procesar todos los datos de TESS, había identificado 158.505 gigantes pulsantes.

A continuación, el equipo encontró distancias para cada gigante utilizando datos de la misión Gaia de la ESA (Agencia Espacial Europea) y trazó las masas de estas estrellas en el cielo. Las estrellas más masivas que el Sol evolucionan más rápido y se convierten en gigantes a edades más tempranas. Una predicción fundamental en la astronomía galáctica es que las estrellas más jóvenes y de mayor masa, deberían estar más cerca del plano de la galaxia, que está marcado por la alta densidad de estrellas que crean la banda brillante de la Vía Láctea en el cielo nocturno.

“Nuestro mapa demuestra empíricamente, por primera vez, que esta es la situación en casi todo el cielo”, dijo el coautor Daniel Huber, profesor asistente de astronomía, en la Universidad de Hawai. “Con la ayuda de Gaia, ahora TESS nos ha dado entradas para un concierto de gigantes rojas en el cielo”.

TESS es una misión del Explorador de Astrofísica de la NASA dirigida y operada por el MIT en Cambridge, Massachusetts, y administrada por el Goddard Space Flight Center de la NASA. Los colaboradores son Northrop Grumman, con sede en Falls Church, Virginia; Ames Research Center de la NASA en Silicon Valley, California; el Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian en Cambridge, Massachusetts; El MIT’s Lincoln Laboratory; y el Space Telescope Science Institute, en Baltimore. Más de una docena de universidades, institutos de investigación y observatorios de todo el mundo participan en la misión.

Noticia original (en inglés)

Edición: R. Castro.