Mira esa estrella y cómo va cambiando su luz

20 de octubre 1784, York: “Edward, he observado a otra, estoy casi convencido que δ Cephei varia en su brillo, se lo escribiré a la Royal Society” – “Está bien John, tenemos que establecer un intenso programa de observación…” 

Podría haber sido esta la conversación entre la pareja de astrónomos e amigos John Goodricke y Edward Pigott frente a la primera observación de una estrella variable pulsante. En sus observaciones sistemáticas midieron un periodo de oscilación de 5 días 8 horas y 37 minutos. 

En 1914, Arthur Stanley Eddington fue el primero en crear una teoría sobre los mecanismos de generación de las oscilaciones estelares. Mientras tanto, los astrónomos observacionales estaban ocupados descubriendo muchos otros tipos de estrellas pulsantes en diversas etapas de la evolución estelar, incluidas las estrellas RR Lyrae y las variables Mira de periodo largo.  

De las pulsaciones estelares a los entresijos de la física solar 

Aunque las pulsaciones estelares ya se habían explicado grosso modo a principios del siglo XX, el descubrimiento en 1962 de las oscilaciones en las capas superficiales del Sol de cinco minutos abrió toda una nueva perspectiva en el estudio de nuestra estrella anfitriona. En 1979, a través de algunas observaciones desde el Teide, se pudo constatar que las oscilaciones descubiertas se propagaban por el interior del Sol, pudiendo proporcionar valiosa información directa de la estructura solar: había nacido una nueva rama de la astrofísica, la Heliosismología. 

De manera análoga, la Astrosismología, palabra que evoca a terremotos en las estrellas, es la ciencia la cual, mediante el estudio de las estrellas pulsantes, puede darnos información directa del interior de las estrellas. En efecto, la fenomenología de las pulsaciones estelares es muy parecida a la de los terremotos en la Tierra. Los movimientos de tierra dependen de la composición y distribución de las capas por las que se propagan. De este modo, estudiando las ondas y sus reflexiones, los geólogos puedes obtener un mapa del interior de nuestro planeta.  

Los heliosismologos pudieron determinar la distribución en profundidad tanto de la velocidad del sonido relacionada con la temperatura, como de la densidad, la profundidad de la zona de convección subsuperficial del Sol, y la distribución de la rotación dentro del interior solar. 

Astrosismología o el canto de las estrellas  

Estos resultados muy detallados de la estructura solar aún no se pueden conseguir en otras estrellas porque carecen de resolución espacial. La única información que tenemos de las estrellas variables es la variación de su brillo en el tiempo. Para detectar estas variaciones de manera cuantitativa, con el objetivo de comparar las observaciones con la teoría y sacar conclusiones sobre la estructura estelar usamos la técnica de la fotometría, que mide la cantidad de luz procedente de una estrella durante un intervalo de tiempo. Si la estrella no es variable, su curva de luz, o luz recibida en función del tiempo, será constante, mientras que variará de forma periódica si es una estrella pulsante. Las frecuencias de oscilación, o inversamente, sus periodos, pueden variar desde solo unos pocos minutos hasta horas o unos pocos días.  

Pero, ¿cuántas estrellas variables pulsantes hay? Los tipos de clases de estrellas pulsantes conocidas han aumentado considerablemente durante las últimas décadas. Con el descubrimiento de más y más estrellas parece que todas, sin importar cuál sea su masa, temperatura o estado evolutivo, tienen el potencial de ser pulsantes. 

Además de los terremotos, hay otra analogía interesante entre la astrosismologia y el estudio de un objeto mediante percusión (en ciencia de materiales esa sería una medición no destructiva): si queremos saber de qué material está compuesto, nos bastaría con darle unos golpecitos para que el sonido que provocase le diera indicios sobre sus características. 

Una estrella pulsante es como un instrumento musical que vibra en tres dimensiones. Cuando con la escucha reconocemos los distintos instrumentos musicales por sus timbres, estamos haciendo con nuestro oído inferencia sobre las distintas características de aquellos instrumentos: material, dimensión, elemento vibrante. En astrosismologia tratamos de hacer algo parecido sacando el espectro de frecuencias de las curvas de luz. El canto de una estrella variable nos dará informaciones sobre su masa, edad, temperatura, gravedad, estructura interna y estadio evolutivo. 

La astrosismologia y la nueva misión espacial PLATO 

La astrosismología ha experimentado avances muy significativos en los últimos 15 años gracias a las misiones espaciales fotométricas de alta precisión CoRoT (lanzada en 2006, y operada por el francés Centre national d'études spatiales y la European Space Agency, ESA), y las misiones Kepler/K2 (lanzada en 2009) y TESS (lanzada en 2018), operadas por la NASA. Sus curvas de luz han permitido hacer diagnósticos sísmicos de la estructura estelar interna y lograr importantes avances en física estelar. Por ejemplo, uno de los logros ha sido el descubrimiento de patrones en las frecuencias de pulsación de estrellas δ Scuti, lo que permite extraer propiedades físicas de estas estrellas, como la densidad media.

La próxima misión que se encargará de observaciones en astrosismología es PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars, ESA), un sistema de 26 telescopios con un gran campo visual y sistema de adquisición de datos ultra-precisos, cuyo lanzamiento está previsto para finales del 2026.

PLATO es un instrumento de nueva generación, que observará estrellas más brillantes que las misiones anteriores para obtener información más detallada. La muestra principal será de unas 15 mil estrellas, pero lo más importante es que caracterizará mejor que nunca estrellas de gran magnitud, menor que 11.

El estudio de las oscilaciones se enmarca dentro del objetivo científico de la misión: la búsqueda y caracterización de planetas de tipo terrestre en otros sistemas planetarios, i.e. los exoplanetas, ya que la misma técnica fotométrica se puede utilizar para la búsqueda de tránsitos planetarios, midiendo la disminución en el brillo de una estrella cuando un planeta que la órbita cruza nuestra línea de visión. Los importantes resultados de ciencia exoplanetaria constituirán la base de conocimiento para la próxima misión de la ESA, ARIEL, diseñada para estudiar atmosferas planetarias, y cuyo lanzamiento está previsto para el 2029. 

El legado del Instituto de Astrofísica de Andalucía, IAA-CSIC, en la misión PLATO incluye dos ejes: tecnológico y científico. La Unidad de Desarrollo Instrumental y Tecnológico (UDIT), que se encarga del diseño de la Main Electronic Unit (MEU) de la nave espacial, llevado a cabo bajo la dirección de Julio Rodríguez.

Por otra parte, el Grupo de Variabilidad Estelar está involucrado en los paquetes de trabajo “Lightcurve Preparation for Asteroseismology” y “Pulsating stars” y participa al desarrollo de las técnicas innovadoras de análisis de datos aplicadas a la explotación de la nueva generación de instrumentos, y al estudio de modelos estelares avanzados.

El valor de la participación del IAA a la misión PLATO, y su experiencia cuentan con el trabajo de Rafa Garrido, coordinador de la participación española a la misión CoRoT, Profesor de investigación Emeritus del IAA, especializado en análisis, observación e interpretación teórica en astrosismologia.

“¿Qué quería decir el parpadeo de brillo de esa δ Cephei? ¿Estará tratando de comunicar, estará hablando… cantando tal vez?” se habrá preguntado más de una vez en el siglo XVIII durante sus cien noches de observación John Goodricke. Hoy, al conocer el legado de esta primera observación, al aprender de esta nave espacial que nos ayudará a descifrar el canto de las estrellas, las cuales intentan, desde lo lejos, contar algo de su vida, se alegraría, dibujando una sonrisa irónica, ya que era sordo de nacimiento.