¿Una o dos? ¿más?

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¡Objetivo conseguido! El JWST está en L2 que, visto así, parece un mensaje en clave. El observatorio espacial más mediático está, ahora mismo, en su órbita.

Me resulta bastante contradictorio celebrar las expectativas abiertas por el JWST y recelar de la huella que misiones espaciales como ésta, y otras no tan famosas, dejan en nuestro medio ambiente, incluido el clima. Y eso sin contar con la impresión que me produce ver el uso que hacen determinadas empresas de nuestro cielo (otro bonito tema para la sobremesa). Como siempre, no encuentro más opción que la información para poder formar una opinión lo más reflexiva posible. Comparto, pues, un artículo sobre la iniciativa y compromiso con la crisis climática de algunos astrónomos y astrónomas (Burtscher, 2021). Y, para más información, la web del grupo Astronomers for Planet Earth [https://astronomersforplanet.earth/] y los informes del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) [https://www.ipcc.ch/languages-2/spanish/].

Volver por un momento al Red Rectangle

El final de la entrada anterior (ver Con nombre propio) hacía referencia a que se quedaba por comentar el tema de la binaridad, tan recurrente cuando se habla de las estrellas post-AGB bipolares.

Antes aprovecho para añadir una imagen que resume cómo se distribuyen los gases y su dinámica en el Red Rectangle. Recomendable para hacerse una idea más clara de lo que puede estar pasando por detrás del polvo estelar [https://astronomia.ign.es/web/guest/oan/estrellas-evolucionadas]

Como se decía entonces, el modelo de Van Winckel no estaba accesible. Se puede ir interpretando por sus artículos que, seguro, van a aparecer en otras entradas dedicadas a estas nebulosas proto-planetarias. Aquí podemos seguir uno de los artículos en el que participó, en 1996, donde se planteaba la posibilidad de que el Red Rectangle se tratara de un sistema binario en el que la estrella primaria estuviese acabando su existencia de post-AGB para convertirse en una enana blanca y una compañera todavía en la secuencia principal (Waelkens et al., 1996).

Así publicaban el esquema

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Con B de binaria

Debía estar un poco harto de tanta expresión admirativa: ‘Pedimos que se deje de poner adjetivos como «único», «peculiar» e «inusual» a las BPNe y proto-BPNe, porque casi todas las BPNe son «únicas» en la ruta evolutiva de su estrella binaria progenitora.’. Así se pronunció un día de 2002 el astrónomo israelí Noam Soker y así acabó su artículo.

¡Cualquiera se atreve a poner un adjetivo!¡Vaya carácter!

Porque la ‘B’ que acompaña a las siglas PNe (nebulosas planetarias) hace referencia a la binaridad de estos objetos. Socker defiende que todos ellos son producto de sistemas binarios que pueden evolucionar de maneras distintas.

Él propone cuatro características de las que dependería el desarrollo de las estrellas desde su fase AGB: el tipo de chorro, el tipo de estrella compañera, la interacción de marea y la precesión de los chorros. Añade una quinta: se trata de sistemas masivos (≳2,3 M⊙). Y también habla de tener en cuenta diferentes comportamientos según las circunstancias. En fin, que calcula que hay alrededor de 100 tipos de evolución distinta de estas nebulosas proto-planetarias.

Concluye, ya se ha dicho al principio: ‘cada BPN es un objeto «único»’ porque, hasta ese momento, afirma, no se puede comprobar una ruta exacta.

¡Ah, bueno!, lo que quiere decir es que ¿a qué tanto adjetivo si se sobreentiende que cada sistema desarrollará de manera distinta y, por eso, es único? Estaba hablando de sistemas binarios y no entraba en su teoría que puedan ser estrellas simples.

No es tan rígido Van Winckel quien admite, en uno de sus primeros trabajos, la posible evolución de estrellas simples AGB hacia nebulosas planetarias (Van Winckel, 1999).

Y ¿por qué conformarse con ser un dúo?

En 2016, Soker da un paso más y analiza las distintas posibles evoluciones (morfologías) resultantes de esos sistemas binarios. Y aún añade, que muchas de estas morfologías pueden ser explicadas por sistemas triples o cuádruples. Lo que le preocupa, ya se ha dicho antes, es demostrar que no se trata de estrellas simples sino sistemas complejos, caracterizando evoluciones en función de las que intervienen en cada nebulosa planetaria. El punto de partida es un sistema binario en el que pueden participar otras compañeras que podrán ser despedidas o engullidas. Para él, un sistema resultante de esas interacciones con más de dos estrellas producirá una nebulosa planetaria desordenada y uno binario producirá formas más o menos previstas, sean axiales (bipolares) o puntuales (aunque no sean esféricas).

Así, para el caso de Frosty Leo, o IRAS 09371+1212, que es como se llama el objeto de nuestra foto, Soker determina que se trata de una proto-planetaria que contiene dos pares de lóbulos muy inclinados entre sí, siendo un par mayor que el otro. En el menor también observa otros lóbulos pequeños que forman una estructura complicada que bien podría proceder de una evolución estelar triple. La encuadra en una ruta evolutiva (de las cuatro que presenta) en la que el sistema binario apretado (con un tercer elemento) se rompe debido a su inestabilidad dinámica y lanza una estrella que se fundirá en la envoltura AGB.

Estén empezando su vida o muriendo, parece que las estrellas están eternamente fusionándose, diseminándose o rechazándose.

Una estrella helada

Las primeras observaciones resultaban un poco confusas. De las fuentes IRAS que se empezaron a analizar, la nuestra, mostraba sus rarezas respecto a sus emisiones en radio e infrarrojo. Incluso ópticamente, se podía confundir con una galaxia espiral compacta. Se llegó a sugerir que la fuente de infrarrojo podría pertenecer a un ‘monstruo’ nuclear silencioso en lugar de estrellas (Condon y Broderick, 1986).

Lo que llamaba la atención no era solo ese ‘inusual’ brillo de infrarrojo lejano sino su ‘poco convencional mecanismo de emisión’, pero no era una galaxia y eso se pudo comprobar con el IRAM 30m del Pico Veleta puesto que su espectro mostraba las características de los flujos ya detectados en otras estrellas evolucionadas y, además, lo que hacía ‘único’ a este objeto es la presencia de granos de hielo y su alto contenido en oxígeno (Forveille et al., 1987). Los autores del artículo acababan proponiendo el nombre de ‘Frosty Leo Nebula’ si sus conclusiones eran correctas. Y parece que lo eran porque el nombre permanece (Geballe et al., 1988).

¿Dónde se encuentra?

Es fácil saber por qué aparece en su nombre la referencia a Leo. Aquí su localización

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¡Lástima que los terrícolas no podamos verla!

Desmontando a Frosty

No se puede hacer un recorrido exhaustivo por todas las observaciones de IRAS 09371+1212. Tratándose de un objeto muy complicado que ha ido sugiriendo modelos a veces contradictorios (sobre binaridad o fase evolutiva por ejemplo) incita a recrearse en cada una de ellas y entender por qué distintos ojos (telescopios) llevan a distintas interpretaciones. Al menos me detendré en las primeras observaciones porque en ellas ya se obtuvieron los resultados que han permanecido en el tiempo.

Las primeras obervaciones: los 1980s

Hay un artículo de referencia que se cita desde el primer trabajo y que se relaciona con la detección de la envoltura. Lamentablemente no está accesible (Clemens y Leach, 1987).

Los otros resultados en estos años provienen de las observaciones realizadas con los telescopios que se detallan a continuación.

1987: CFHT 3.6 m – Mauna Kea-Hawaii- USA (óptico e infrarrojo)

• Se construyó en 1979 para la colaboración Canadá-Francia-Universidad de Hawaii y se encuentra en el volcán Mauna Kea.
• Observaciones: abril de 1987

Se confirmaban las apreciaciones del equipo de Forveille: una post-AGB muy evolucionada que se encuentra incrustada en una capa de reciente eyección. La bipolaridad no se identifica con dos lóbulos colimados sino que parecen más dos hemisferios de una misma envoltura atravesada por una línea oscura. Se localizan, igualmente, granos de hielo (Rouan et al., 1988).

1987: UH 2.2. m – Mauna Kea-Hawaii- USA (óptico e infrarrojo)

• El de la Universidad de Hawaii, construido en 1970, fue el primero del complejo de 13 telescopios en la isla de Hawaii.
• Observaciones: mayo de 1987

Casi simultánea con la anterior, en esta observación se pudo comprobar también que se trataba de una nebulosa bipolar post-AGB en cuyo espectro se detectaba hielo. Se catalogó como supergigante M4 (Hodapp, Sellgren y Nagata, 1988).

1987: AAO 3.9 m – Siding Spring Mountain-Nueva Gales del Sur- Australia (óptico)

• Empezó a funcionar en 1975. Creado inicialmente en colaboración entre la Australian Academy of Science y la Royal Society of London, ahora es exclusivamente australiano
• Observaciones: febrero de 1987

1988: OHP 1.93 m – Saint Michel-Lincel-Provence-Francia (óptico)

• Opera desde 1937 y, desde 2012, está adscrito al Observatoire des Sciences de l’Univers de l’Institut Pythéas en la Aix-Marseille-Université.
• Observaciones: enero 1988

De los espectros tomados por ambos observatorios con una diferencia de un año, se pudo apreciar de manera más sensible su tipo espectral. Se le identificó como una K7II/III (la que se mantiene de forma oficial). Por cierto que se rechazaba la idea de que se tratara de una binaria (Mauron, Le Borgne y Picquette, 1989).

1987: Telescopio Danés de La Silla 1,54 m – Chile (espectrógrafo y cámara CCD)

• Observaciones: abril y diciembre de 1987

1988: Telescopio de la MPG/ESO de La Silla 2.2 m – Chile (espectrógrafo y cámara CCD)

• Observaciones: enero de 1988
• En activo desde 1983, aunque desde 2013 solo es utilizado por la Max Plank Gesellschaft

Uno de los puntos analizados que diferían de los anteriores estudios consistió en examinar los/las (?)‘ansae’, esos bordes más brillantes que parecen corresponderse con corrientes intermitentes de gas. Lo que diferencia a Frosty Leo, al menos de las dos estrellas post-AGB que hemos visto en las entradas anteriores, es que la cavidad interior por la que pasarían esas corrientes de gas, son mucho mayores debido a que el disco de polvo circunestelar, que en RAFGL 618 y HD 44179 (Red Rectangle) eran amplios y densos, aquí es muy delgado. Pero lo que hay que destacar es que, en Frosty Leo, el viento rápido que fluye hacia los polos parece que sea constante lo que no se esperaría según los modelos establecidos para una estrella K. Por otro lado, en este trabajo parecen inclinarse hacia la presencia de una binaria (Morris y Reipurth, 1990).

1988: KAO – NASA-Centro de vuelos espaciales Goddard-Greenbelt, Maryland – USA (infrarrojo)

• El Kuiper Airborne Observatory era un telescopio aerotransportado que estuvo operativo desde 1974 a 1995.
• Observaciones: febrero de 1988

El estudio de IRAS 09371+1212 estuvo centrado sobre la calidad y características del hielo que le confieren una temperatura extraordinariamente baja si se compara con otras estrellas post-AGB (Omont, 1990)

Nuevos ingredientes: Los 1990s

A partir de todas estas evidencias, se empieza en los noventa, a profundizar en cada uno de los aspectos. El objetivo más perseguido es desentrañar las propiedades de su envoltura helada, pero hay otros aspectos atractivos.

Hay que destacar, por ejemplo, el interés por interpretar las velocidades de los gases expandidos y que resultaban tan diferentes de otras proto-planetarias. También su disco de polvo central, más estrecho que otros (parece que se ve de perfil), hacían pensar en la posibilidad de que no se tratara de un disco kleperiano que posibilitara la acumulación de materia, sino que fuera un disco en ‘expansión’ (que la despidiera) (Dougados et al., 1992).

Otro de los aspectos llamativos es su posición que parece alejada del halo galáctico. De ser ciertas las estimaciones de distancia (no hay todavía una oficial aceptada) IRAS 09371+1212 estaría en interacción con la materia interestelar. Podría incluso identificarse según algunos autores, no como una estrella evolucionada, sino como una en formación (Langill, Kwok y Hrivnak, 1994).

No es la primera vez que se pone en duda su clasificación como estrella post-AGB, antes ya se había planteado la posibilidad de que pudiera tratarse de una estrella T-Tauri (Robinson, Smith y Hyland, 1992).

Otra investigación que aporta un elemento novedoso a los trabajos anteriores trata de los flujos o chorros simétricos que tienen episodios de estallidos que, con determinadas características se denominan BRETS (bipolar, rotating, episodic jets) y que se presentan en los primeros estadios de nebulosa planetaria. Este es el caso de nuestra estrella (López, 1997).

La era del HST (Hubble Space Telescope) y la interferometría: los 2000s

El ojo espacial del Hubble se puede acercar más y proporciona nuevos datos. A partir de sus imágenes pueden precisarse observaciones anteriores: chorros enfocados desde el plano ecuatorial, anaes como producto de un chorro polar que varió dirección e intensidad. También cosas curiosas como las se pueden ver en la imagen siguiente: ‘las manchas BN y BS parecen ser entidades distintas y densas incrustadas dentro de burbujas tenues extendidas (LN y LS) …La creación de las manchas es, por tanto, un rompecabezas, ya que cualquier mecanismo de vientos interactivos tendría dificultades para encontrar suficiente materia en el interior de las burbujas tenues para barrer las estructuras de las manchas’. También abre nuevas perspectivas a la presencia de una binaria (Sahai et al., 2000).

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No solo el Hubble ha supuesto un avance en las investigaciones astronómicas, también los telescopios especializados en captar ondas de radio y la interferometría han supuesto un gran avance en el estudio de la composición química de los materiales estelares. Otro artículo, de 2005, encabezado por la astrónoma española Arancha Castro-Carrizo, presenta un modelo de Frosty Leo a partir del análisis molecular de su envoltura. Para ello se partió de los datos proporcionados por las instalaciones de antenas de interferometría del IRAM-Plateau du Bure en los Alpes franceses (ahora NOEMA- Northern Extended Millimeter Array) y del OVRO (Owens Valley Radio Observatory).

En esta imagen los flujos observados (se señala como referencia en la fotografía que comentamos, el eje identificado como la dirección de los chorros).

Y en ésta, el esquema del modelo propuesto

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Otro estudio a partir de datos obtenidos por interferometría, esta vez en La Silla-Chile, permiten presentar otro modelo para IRAS 09371+1212 que se compara con el modelo anterior de Sahai ( Murakawa, 2008)

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Lo penúltimo

Dos últimos estudios sobre el modelo al que podría ajustarse Frosty Leo.

El primero de ellos construye un modelo aproximado a partir del análisis submilimétrico (infrarrojo lejano, más próximo a microondas). En él, tal como muestra la imagen, se hace presente un toroide (término que hace que Frosty Leo se parezca más a las estrellas post-AGB que hemos visto hasta ahora), un chorro bipolar y un casquete aplanado (pequeña región densa) (Sabin et al., 2019).

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El segundo y, por el momento, último modelo se basa en datos obtenidos en infrarrojo cercano (más próximo a visual) obtenidos en el Observatorio Astrofísico Guillermo Haro, en Sonora, México.

En la imagen se muestra tanto la estructura de chorros como la envoltura circunestelar (círculo línea blanca) (Serrano Bernal et al., 2020)

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¡A ver que nos cuenta el JWST!

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Bases de datos

Centre de Données astronomiques de Strasbourg [https://cds.u-strasbg.fr/]

NASA [https://www.nasa.gov/]

Referencias

Burtscher, L., “Forging a sustainable future for astronomy”, Nature Astronomy, vol. 5, pp. 857–860, 2021. doi:10.1038/s41550-021-01486-x.

Castro-Carrizo, A., Bujarrabal, V., Sánchez Contreras, C., Sahai, R., and Alcolea, J., “The disrupted molecular envelope of Frosty Leo”, Astronomy and Astrophysics, vol. 431, no. 3, pp. 979–991, 2005. doi:10.1051/0004-6361:20041482.

Clemens, D. P. and Leach, R. W., “Charge-coupled-device-based imaging polarimeter for astronomy.”, Optical Engineering, vol. 26, pp. 923–929, 1987. doi:10.1117/12.7974172.

Condon, J. J. and Broderick, J. J., “Radio identifications of IRAS point sources with b>30.”, The Astronomical Journal, vol. 92, pp. 94–102, 1986. doi:10.1086/114139.

Dougados, C., Rouan, D., and Lena, P., “Measure of the grain velocity structure in the circumstellar envelope » Frosty Leo «.”, Astronomy and Astrophysics, vol. 253, pp. 464–474, 1992.

Forveille, T., Morris, M., Omont, A., and Likkel, L., “IRAS 09371+1212: an icy evolved, mass-losing star with a unique IR spectrum.”, Astronomy and Astrophysics, vol. 176, pp. L13–L16, 1987.

Geballe, T. R., Kim, Y. H., Knacke, R. F., and Noll, K. S., “The Ice Band in IRAS 09371+1212”, The Astrophysical Journal, vol. 326, p. L65, 1988. doi:10.1086/185124.

Hodapp, K.-W., Sellgren, K., and Nagata, T., “Infrared Images and Spectroscopy of the Bipolar Source IRAS 09371+1212”, The Astrophysical Journal, vol. 326, p. L61, 1988. doi:10.1086/185123.

Langill, P. P., Kwok, S., and Hrivnak, B. J., “High-Resolution Optical Imaging of the Frosty Leo Nebula”, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, vol. 106, p. 736, 1994. doi:10.1086/133437.

Lopez, J. A., “Jets and Brets in Planetary Nebulae (Invited Review)”, in Planetary Nebulae, 1997, vol. 180, p. 197.

Mauron, N., Le Borgne, J.-F., and Picquette, M., “Optical observations of the «frosty» Leo nebula (IRAS 09371+1212).”, Astronomy and Astrophysics, vol. 218, pp. 213–21, 1989.

Morris, M. and Reipurth, B., “The Optical Form of the Bipolar Preplanetary Nebula IRAS 09371+1212”, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, vol. 102, p. 446, 1990. doi:10.1086/132653.

Murakawa, K., “Near-IR bispectrum speckle interferometry, AO imaging polarimetry, and radiative transfer modeling of the proto-planetary nebula Frosty Leonis”, Astronomy and Astrophysics, vol. 489, no. 1, pp. 195–206, 2008. doi:10.1051/0004-6361:20078623.

Omont, A., “Observations of 40–70 Micron Bands of Ice in IRAS 09371+1212 and Other Stars”, The Astrophysical Journal, vol. 355, p. L27, 1990. doi:10.1086/185730.

Robinson, G., Smith, R. G., and Hyland, A. R., “A spherical circumstellar dust model for IRAS 09371+1212.”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 256, pp. 437–448, 1992. doi:10.1093/mnras/256.3.437.

Rouan, D., Omont, A., Lacombe, F., and Forveille, T., “Direct observation of a disk in a very icy circumstellar envelope : IRAS 09371+1212 the «Frosty Leo nebula».”, Astronomy and Astrophysics, vol. 189, pp. L3–L6, 1988.

Sabin, L., Zhang, Q., Vázquez, R., and Steffen, W., “A submillimeter polarization analysis of Frosty Leo”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 484, no. 3, pp. 2966–2973, 2019. doi:10.1093/mnras/stz155.

Sahai, R., Bujarrabal, V., Castro-Carrizo, A., and Zijlstra, A., “The structure and momentum of multiple collimated outflows in the protoplanetary nebula Frosty Leo”, Astronomy and Astrophysics, vol. 360, pp. L9–L12, 2000.

Serrano Bernal, E. O., Sabin, L., Luna, A., Devaraj, R., Mayya, Y. D., and Carrasco, L., “The near-infrared polarization of the pre-planetary nebula Frosty Leo”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 495, no. 3, pp. 2599–2606, 2020. doi:10.1093/mnras/staa1291.

Soker, N., “Why every bipolar planetary nebula is `unique’”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 330, no. 2, pp. 481–486, 2002. doi:10.1046/j.1365-8711.2002.05105.x.

Soker, N., “Planetary nebula progenitors that swallow binary systems”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 455, no. 2, pp. 1584–1593, 2016. doi:10.1093/mnras/stv2384.

Waelkens, C., Van Winckel, H., Waters, L. B. F. M., and Bakker, E. J., “Variability and nature of the binary in the Red Rectangle nebula.”, Astronomy and Astrophysics, vol. 314, pp. L17–L20, 1996.

Van Winckel, H., “Post-AGB Evolution”, in Asymptotic Giant Branch Stars, 1999, vol. 191, p. 465.