Nuestro Sol es una estrella típica, es decir, que está en la mitad de su vida, como la adultez en los humanos. Veremos que esta etapa del Sol se relaciona con una manera específica de funcionamiento. No sólo hablaremos de nuestra estrella cercana, sino que también lo haremos sobre otro grupo de estrellas más grande en la que se incluye. En el artículo anterior mencioné el diagrama H-S que grafica una estrella en relación a su temperatura y luminosidad, del que mostramos una imagen abajo:
Por Yotas Trejos*:
La secuencia principal (main sequence) es aquella curva en el diagrama que parece mostrar una relación de proporcionalidad entre la luminosidad y la temperatura. En la secuencia principal se encuentran las estrellas que están en la “adultez” de su vida, como el Sol.
Las características que presentaremos comenzaron a realizarse con el astrofísico inglés Arthur Eddington en los años 20 y se continuó adelantando por otros científicos en los años 50. Eddington mostró que dos fuerzas opuestas que ocurren en el Sol también ocurren en cualquier otra estrella: la fuerza gravitatoria hala hacia el centro de la estrella mientras el gas en la estrella presiona hacia afuera, esto es el principio de equilibrio hidroestático, en cualquier estrella estable estas fuerzas se balancean en todos sus puntos. La gravedad de la estrella está determinada por su masa, por esto es una propiedad fundamental de las estrellas, sin embargo es muy difícil medirla directamente.
Las estrellas se forman a partir de una nebulosa compuesta de gas y polvo, principalmente hidrógeno, que comienza a contraerse. Una estrella en la secuencia principal es aquella que se ha contraído hasta que su interior está suficientemente caliente para comenzar una reacción nuclear entre átomos de hidrógeno. En ese instante se convierte en una fuente de calor irradiando luz y produciendo suficiente presión hacia afuera para contrarrestar la fuerza gravitacional. Lo que fue una bola de gas que se contraía ahora es una estrella con tamaño constante, gobernada por la liberación de energía en su interior. Todas las estrellas en la secuencia principal convierten hidrógeno en helio por medio de fusión nuclear, esta es su fuente principal de energía en la que el hidrógeno es consumido. En este sentido todas las estrellas de la secuencia principal son como el Sol. Sin embargo pueden haber estrellas en la secuencia principal millones de veces más luminosas que el Sol o decenas de cientos de veces menos luminosas que el Sol.
Por la gran cantidad de hidrógeno que contienen las estrellas permanecen estables en la secuencia principal durante mucho tiempo. Si una estrella estable fuese mágicamente expandida entonces el gas contenido se enfriaría, lo que disminuiría la presión hacia afuera y la fuerza gravitacional la atraería de nuevo a su tamaño. De la misma manera si una estrella fuese mágicamente contraída lo que daría lugar a más reacciones nucleares de hidrógeno y más presión hacia fuera, haciendo que la estrella se expanda hasta su tamaño inicial. Con esto quiero decir que una estrella estable tenderá a estar estable, esto es debido al equilibrio hidroestático existente en cada punto de la estrella. Este equilibrio permanecerá siempre que lo hagan su composición interna y la producción de energía.
Saber que las estrellas de la secuencia principal son las que convierten hidrógeno en helio, permite obtener información particular sobre su tamaño y sobre su longevidad. Si una estrella está en la secuencia principal y es más masiva que el Sol, deberá ser más brillante y tendrá más superficie, del mismo modo si es menos masiva que el Sol deberá ser menos brillante y será más pequeña. Con el paso del tiempo toda la reserva de hidrógenos se agotará, una estrella que agote toda su reserva de hidrógeno no estará más en la secuencia principal, tenderá a hacerse más grande y pasará a obtener su energía de otras fuentes. Cuando esto pasa se puede considerar que la estrella está muriendo. ¿Qué estrellas de la secuencia principal acaban con mayor prontitud sus reservas de hidrógeno? Para responder la pregunta recurriremos al diagrama H-S y miramos que ir a la izquierda y arriba en la secuencia principal es aumentar la masa de la estrella, pero también su temperatura y luminosidad. Ir a la derecha y abajo nos lleva a menor masa, menor luminosidad y temperatura. Mayor temperatura es señal en las estrellas de mayores reacciones nucleares, por tanto más gasto de hidrógeno.
Llegamos así a que las estrellas pequeñas gastan poco de su material y las grandes estrellas gastan mucho de su material en el mismo tiempo. El resultado es inesperado. Cuando tenemos diferencias descomunales de tamaños como en caso de pequeñas estrellas rojas que tienen hasta el 8% de la masa del Sol a las gigantes estrellas que miden cientos de veces el Sol, resulta poco convincente decir que las pequeñas estrellas rojas viven mucho más tiempo que los gigantes brillantes. El Sol tardará en gastar todo el hidrógeno que contiene desde su nacimiento 10 mil millones de años, una estrella que sea sólo diez veces más masiva que el Sol, comenzará con 10 veces más combustible para iluminar, pero gastará diez mil veces más combustible que el Sol en la misma fracción de tiempo, dándonos que esta estrella habrá gastado todo su hidrógeno en apenas 10 millones de años. ¿Cómo sucede en una estrella pequeña? Digamos que la estrella pequeña es 10% la masa del Sol, entonces gastará su combustible al 1% respecto a como lo hace el Sol, así vivirá diez veces más antes de acabar su combustible, ¡la estrella vivirá 100 mil millones de años! Esto es mucho más que el tiempo estimado desde el Big bang. Se parece a vivir por siempre.
¿Cómo deberíamos imaginarnos una estrella? Al realizar reacciones nucleares con hidrógenos –y luego veremos que con más elementos- no sólo produce energía, sino que permite obtener productos más pesados que el hidrógeno. De las estrellas se obtienen todos los elementos pesados, muchos de los cuales nos rodean. Las estrellas nos las imaginamos como bombillos gigantes en el cielo que iluminan y emiten calor. Sin embargo esta imagen tan antigua ya, deja de lado el hecho recién mencionado, somos polvo de estrellas, porque todo elemento –menos el hidrógeno y el helio- proviene de las reacciones nucleares que se llevan a cabo en una estrella, o en el fin de una estrella. Así la luz de una estrella es un sub producto de la obtención de nuevos elementos. Si una fábrica de autos trabajara hasta altas horas de la noche, podríamos ver las luces de la misma, escuchar los ruidos de las herramientas y sentir el calor que produce la misma fábrica. Para nosotros sería claro que el objetivo de la fábrica no es producir luz, ruido y calor, sino los autos. De esta misma manera pueden entenderse las estrellas, como fábricas de elementos pesados más allá de ser meros objetos que emiten luz.
He mencionado que las estrellas permanecen en la secuencia principal durante largo tiempo mientras agotan el hidrógeno disponible para realizar reacciones nucleares. Cuando esto sucede cambiarán de forma y de fuente de energía. Este es un próximo paso en la evolución de una estrella. Lo contaré en una próxima entrega.
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Un concepto simpático que no solemos imaginarnos es la idea de tamaño de las estrellas, de los planetas y de nosotros mismos. En Internet hay muchas imágenes y videos que pretenden mostrar un poco esa diferencia de tamaños, abajo recomiendo uno, allí podrán buscar muchos otros:
[youtube]https://www.youtube.com/watch?v=B4dK_083LrA[/youtube]
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Ver entrega anterior sobre estrellas
*Estudiante de Matemáticas de la Universidad de Antioquia