¿Qué es una estrella variable? ¿Por qué el brillo de la estrella cambia periódicamente?
Cuando miramos las estrellas en el cielo nocturno, generalmente pensamos que estas estrellas tienen un brillo relativamente estable y queman su combustible nuclear durante miles de millones de años. Sólo en las etapas finales de su vida la estrella cambia su apariencia, convirtiéndose en una gigante roja y finalmente acabando con su vida.
Pero para muchas estrellas, ¿cambio? Es parte de su vida normal. La Agencia Espacial Europea ha mostrado de forma espectacular una famosa estrella variable, RS Puppis. Su brillo cambia con el tiempo, mostrando este cambio mágico en la luz reflejada del material circundante.
Entonces, ¿qué es una estrella variable? ¿Cómo cambia su brillo? Podemos responder a esta pregunta desde tres perspectivas diferentes, entre ellas: perspectiva histórica, perspectiva científica y perspectiva física.
Históricamente,
Desde la antigüedad, la gente ha creído que las estrellas en el cielo son puntos de luz fijos. Ocasionalmente, ocurren eventos catastróficos como novas o supernovas, que hacen que los objetos se iluminen temporalmente, pero son poco comunes. Sólo ha habido unos pocos eventos de supernova visibles a simple vista en la historia de la humanidad.
Agosto de 1596, ¿David? Fabricius descubrió una estrella que de repente se iluminó. A finales de 10, la estrella iluminada desapareció por completo de la vista. Al principio pensó que era una estrella en ascenso. Pero, extrañamente, este punto de luz apareció nuevamente en el mismo lugar en 1609, y las novas y supernovas nunca habían vuelto a aparecer en un período de tiempo tan corto después de atenuarse previamente, por lo tanto, lo que descubrió Fabricius: esta estrella brillante no es una nova en absoluto; pero la primera estrella descubierta en la historia de la humanidad que tiene un brillo inherentemente variable, una variable saltamontes o variable Mira.
Pero las condiciones científicas de la época simplemente no podían estudiar un fenómeno astronómico tan raro. Esto no sólo es raro, sino que también es difícil de observar.
Así que las estrellas variables inicialmente se consideraban extremadamente raras en el universo, porque después de casi dos siglos de búsqueda, se descubrieron 10 de estas estrellas. Sin embargo, con el desarrollo de la ciencia, la tecnología y la astrofotografía, las estrellas variables se hicieron menos. misterioso y el número de descubrimientos aumentó considerablemente.
1893, Enriqueta? Levitt llegó a trabajar en el Observatorio de la Universidad de Harvard y comenzó a estudiar estrellas variables. En 1913, había descubierto aproximadamente 1.000 invariantes en la Pequeña Nube de Magallanes.
A través de un estudio cuidadoso, Levitt descubrió que estas estrellas variables tienen algunas propiedades especiales, tales como: las estrellas variables con el brillo promedio más alto tienen el período de cambio de luminosidad más largo, lo que significa completar un ciclo de pulso (desde el más tenue al más oscuro) y luego del más brillante al más oscuro) lleva más tiempo.
Las estrellas variables más brillantes suelen cambiar a lo largo de un periodo de varios meses. Cuando el brillo disminuye, el período de cambio se acorta y las estrellas variables más débiles pueden completar un ciclo de pulso en un día.
Basándose en las propiedades anteriores, Levitt descubrió que existe una relación clara entre el brillo medio de las cefeidas y el período del pulso.
Esta relación es lo que hoy solemos llamar relación período-luminosidad. Este gran descubrimiento tuvo un impacto inconmensurable en el desarrollo de la cosmología. Primero hablemos del papel y la importancia de comprender las estrellas variables en la ciencia.
El papel y la importancia de la ciencia
Estas variables que Levitt investigó se encuentran todas en la Pequeña Nube de Magallanes. La Pequeña Nube de Magallanes está a 199.000 años luz de la Tierra, pero sólo tiene un tamaño de unos 7.000 años luz. Debido a su pequeño tamaño, esperamos que todas estas variables estén aproximadamente a la misma distancia de la Tierra. La diferencia en el brillo aparente corresponde a la diferencia en el brillo intrínseco de la estrella variable, por lo que podemos calcular la relación entre el brillo intrínseco y el período de la estrella variable en función de la relación entre la distancia y el brillo.
Sabiendo esto, la próxima vez que descubramos estrellas variables en otras galaxias, sólo necesitaremos medir el período de cambio en el brillo de la estrella variable para saber qué tan grande es realmente la estrella variable, y luego Podemos medir visualmente qué tan grande se ve la estrella variable, qué tan brillante parece, y luego podemos calcular qué tan lejos está la estrella variable de nosotros en función de la relación de atenuación entre la luminosidad y la distancia.
Ahora llamamos a estos objetos que pueden medir la distancia luz de vela estándar. Es decir, solo necesitamos saber qué tan brillante es una vela y luego medir qué tan brillante parece para saber a qué distancia está. de nosotros.
Habiendo dominado la relación período-luminosidad de las Cefeidas, tenemos velas estándar. ¿Entonces podemos usarlo para medir la distancia entre galaxias en el universo, Edwin? En la década de 1920, Hubble utilizó estrellas variables para medir que la Nebulosa Hélice era en realidad una galaxia independiente muy alejada de nosotros. Sólo entonces me di cuenta de que el universo no es sólo la Vía Láctea, sino también una gran cantidad de islas estelares similares a la Vía Láctea.
Hay muchos tipos de estrellas variables en el universo, y sus colores y brillo varían mucho. Además de las cefeidas descubiertas por Levitt, también hay muchas variables de baja masa y período corto, como las variables RR Lyrae, variables de gigantes rojas (como Mira) y enanas blancas que baten constantemente.
Pero lo más importante es que los cambios periódicos de estas estrellas variables se observan fácilmente en el universo. Existe una correlación muy evidente entre el período y su brillo absoluto, por lo que las estrellas variables son las más distantes. El universo Una de las partes importantes.
Por supuesto, hay una manera mejor que nos permite medir distancias a corta distancia, y ese es el método de paralaje que dominamos por primera vez, es decir, cuando la Tierra orbita alrededor del Sol una vez al año. Las posiciones de las estrellas en el cielo cambian para determinar la distancia de la estrella, pero este método sólo funciona para estrellas que están a 1.600 años luz de distancia.
Entonces, dentro de un rango de 1.600 años luz de la Tierra, generalmente usamos paralaje para medir, pero a distancias mayores, usamos estrellas variables, ¡y la distancia medida ha superado los 10 mil millones de años luz!
Observando cómo cambia el brillo de estas estrellas variables con el tiempo, es decir, cuánto dura su período de cambio, y luego identificando qué tipo de estrella variable estamos observando, podemos determinar la distancia a cientos de millones. de años luz de la Vía Láctea La distancia de los cuerpos celestes.
Entonces, la pregunta final es, ¿por qué cambian las luminosidades de estas estrellas? Y muestra una periodicidad estable.
Razones físicas
Cuando la luminosidad de una estrella cambia, generalmente pensamos que la tasa de fusión nuclear del núcleo cambia y luego estos cambios se extienden a la superficie. , Provoca cambios periódicos en la luminosidad de la estrella. Pero esta situación es básicamente imposible. En primer lugar, incluso si la tasa de fusión del núcleo de una estrella fluctúa, se necesitarán al menos cientos de miles de años para tener un impacto en la luminosidad, porque un fotón típico tarda al menos unos 654,38 millones de años desde su nacimiento hasta su propagación. superficie de la estrella.
Además, la tasa de fusión del núcleo cambia a lo largo de la vida de una estrella, pero esto ocurre en grandes escalas de tiempo y no fluctúa en el corto plazo. De hecho, las tasas de fusión del núcleo de varios tipos de estrellas variables son estables, pero no iguales.
Para explicar las fluctuaciones en el período de una estrella variable, necesitamos observar las capas más externas de la estrella.
La capa más externa de la estrella es la fotosfera. Después de abandonar la fotosfera, el fotón queda permanentemente separado de la estrella, pero la fotosfera es un lugar especial. Para las estrellas que no son variables, la fotosfera es relativamente estable. En otras palabras, la presión de la radiación y la gravedad que empujan los iones hacia afuera en la fotosfera se equilibran entre sí y las dos fuerzas se cancelan entre sí. El Sol es una aproximación a esto, pero no está perfectamente equilibrado.
En la capa más externa del Sol, la presión de la radiación y la gravedad también luchan entre sí. Empujas y tiras, lo que hace que la materia suba y baje entre el equilibrio de estas dos fuerzas, por lo que la capa más externa de cualquier estrella tendrá el siguiente ciclo:
En cierto punto, la presión de radiación se vuelve demasiado grande. y vence la pérdida de gravedad, lo que hace que la ciudad exterior de la estrella se expanda.
A medida que el material de la ciudad exterior se aleja del centro de la estrella, la gravedad disminuye, pero el empuje proporcionado por la presión de radiación disminuye más rápido que la gravedad.
Entonces, después de que la ciudad exterior se expande hasta cierto punto, la gravedad supera la presión de la radiación y atrae la materia hacia atrás.
El proceso de retroceso gravitacional hace que el material de las capas exteriores de la estrella se contraiga hacia dentro.
Entonces la presión de radiación comenzó a aumentar nuevamente. Cuando llega a cierto punto, comienza a empujar hacia afuera las ciudades exteriores de la estrella, ¡y luego se mueve hacia adelante y hacia atrás!
En el caso del sol, la intensidad del cambio de brillo es de aproximadamente el 0,1%.
Pero en el caso de las estrellas variables, su brillo y radio pueden cambiar drásticamente, ¡por ejemplo, más del 90%! ¡Los radios a menudo varían en millones de kilómetros y las temperaturas en miles de grados!
Esta es la historia del descubrimiento de las estrellas variables, sus aplicaciones en cosmología y las causas de sus cambios de luminosidad. De hecho, en el caso de las estrellas normales, si observamos con suficiente precisión, encontraremos que el brillo de cada estrella sufrirá cambios periódicos. Como muchas cosas en este universo, la única constante es el cambio.