Un reciente estudio liderado por investigadores del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ha resuelto un antiguo debate sobre cuáles son las estrellas progenitoras de las nebulosas planetarias más brillantes.

La autora principal del artículo, que acaba de publicarse en la revista ‘Astronomy and Astrophysics’, es Rebeca Galera Rosillo, estudiante de doctorado del IAC que falleció en 2020 cuando estaba completando este trabajo.

Lo primero y más importante para comprender cómo es el Universo es saber cómo es de grande, medir las distancias a las galaxias. Igual que en el Renacimiento se empezó a descifrar cómo de grande era el mundo, dónde estaban los mares y los continentes, hoy se cartografía el Universo mediante escalas de distancias que se han ido determinando poco a poco, estrella a estrella, galaxia a galaxia.

Hace solo un siglo ni siquiera se sabía que las galaxias eran sistemas de estrellas, miles de millones de ellas, y han sido los avances en tecnología, los telescopios cada vez mayores y los instrumentos cada vez más sensibles los que han ido permitiendo estudiar las galaxias y empezar a aislar sus estrellas individuales.

Aun hoy no se pueden estudiar las estrellas normales, como el Sol, fuera de nuestra galaxia, pero sí se pueden cuando, al evolucionar, se convierten en nebulosas planetarias.

«Las nebulosas planetarias son clave para entender el continuo enriquecimiento químico del Universo»

Una nebulosa planetaria es la envoltura gaseosa expulsada por una estrella tras convertirse en gigante roja, es decir, cuando está en una fase crítica en la que la estrella es ya incapaz de sostener el peso de su propia masa.

Se le ha acabado el «combustible» mejor y más abundante que tenía, el hidrógeno, y empieza a usar su reserva de helio. Es entonces cuando el núcleo interno queda expuesto y, por su altísima temperatura (en pocos miles de años, pasa de unos 3.000 °C a 100.000 °C o más), emite casi toda su luz en el ultravioleta, calentando violentamente las capas de gas expulsadas hasta ionizarlas.

«Lo fascinante del caso es que esas envolturas, que llamamos nebulosas planetarias, convierten la inmensa cantidad de energía ultravioleta que genera la estrella en luz visible y, principalmente, en una línea de emisión que cae justo donde el ojo humano es más sensible, en la zona amarillo-verdosa del espectro», explica Antonio Mampaso, investigador del IAC y coautor del artículo. «Es la línea de emisión del átomo de oxígeno dos veces ionizado, [OIII] 5007 Angstrom», aclara.

Según Romano Corradi, director del Gran Telescopio de Canarias (GTC o Grantecan) y coautor del artículo, «las nebulosas planetarias son clave para entender el continuo enriquecimiento químico del Universo, el tic-tac inexorable que marca una flecha de avance químico hacia el futuro». Y añade: «Pero también se ha demostrado que pueden usarse como balizas para conocer las distancias a las galaxias, por el hecho de que en cualquier tipo de galaxia (espirales, elípticas, jóvenes, viejas…) todas las nebulosas planetarias más brillantes alcanzan el mismo brillo intrínseco en la línea de emisión [OIII] 5007 Angstrom, y no pasan de ahí».

Esta constancia es una propiedad tan robusta que se emplea para medir distancias a las galaxias hasta unos 70 millones de años luz y más allá. Pero los investigadores no conocen por qué las nebulosas planetarias más brillantes se agrupan precisamente alrededor de un determinado valor «mágico» de luminosidad, considerando los variados procesos físicos involucrados.

Efímeras, pero esplendorosas

Los modelos teóricos estándar predicen que la luminosidad máxima de una nebulosa planetaria debería ser diferente según el tipo de galaxia. Más aún, que no deberían existir nebulosas tan brillantes en sistemas muy evolucionados, porque se espera que sus progenitoras fueran estrellas relativamente masivas, cerca de dos veces la masa del Sol o más, que ya deberían haber desaparecido en esos sistemas tan antiguos. La observación contradice ambas cosas.

Un equipo de ocho astrónomos liderado por el IAC y que incluye a Jorge García Rojas y David Jones, investigadores posdoctorales del IAC, ha abordado este enigma determinando con la mayor precisión posible los parámetros físicos y químicos de las nebulosas planetarias más brillantes y de sus estrellas progenitoras en el disco de la galaxia espiral más cercana, la de Andrómeda, M31.

Para eso, se han obtenido con el Grantecan, ubicado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma), espectros muy profundos de una muestra de nebulosas planetarias de M31. El resultado es que las planetarias más brillantes son nebulosas normales, con una densidad un poco mayor que el promedio y con estrellas progenitoras de masas cercanas a 1,5 veces la del Sol.

«Un trabajo teórico reciente, usando los modelos evolutivos más actualizados, sugería que estrellas con esas masas podrían generar, al menos durante unos mil años, esas planetarias tan luminosas», destaca Mampaso. «Los resultados obtenidos indican, por tanto, que para entender las nebulosas más brillantes no hacen falta estrellas masivas, aunque las haya en abundancia en una galaxia como M31», afirma.

Este trabajo fue liderado por Rebeca Galera Rosillo, una estudiante de doctorado del IAC que falleció en 2020 cuando estaba completando la reciente investigación. Natural de la Puebla de Don Fadrique, en Granada, Rebeca era la única mujer astrónoma en la historia de su municipio. Tras finalizar sus estudios en la Universidad de Granada, donde destacó como estudiante, se incorporó al IAC en 2014 a través de un contrato predoctoral de personal investigador en formación bajo la supervisión de Antonio Mampaso y Romano Corradi. Durante sus últimos años, trabajó como astrónoma en el Isaac Newton Group of Telescopes (ING) en La Palma, a la vez que finalizaba su tesis doctoral.

«Rebeca decía que las nebulosas planetarias son luciérnagas cósmicas: viven poco, brillan mucho y son hermosas», recuerdan sus codirectores, Corradi y Mampaso. «En su trabajo como astrofísica, llegó hasta la frontera del conocimiento, hasta donde se puede llegar hoy. Pero además de su pasión por la Astronomía, también nos dejó su alegría y una visión del mundo donde la música y el arte, la solidaridad con los más desfavorecidos y la ciencia se pueden unir para hacer un mundo mejor y más justo», señalan.