Conoce las Enanas Blancas by Redes Sociales

Las enanas blancas se encuentran entre las estrellas más oscuras del Universo. Es una estrella que ha agotado la mayor parte o la totalidad de su combustible nuclear y se ha colapsado a un tamaño muy pequeño, y está cerca de su etapa final de su vida.

NASA - APOD 30/7/2000 NGC 2440

La primera enana blanca fue observada por telescopios ópticos a mediados del siglo XIX. Muestran mucho interés a los astrónomos, dado que representan un estado intrigante de la materia; aunque la razón más llamativa es que la mayoría de las estrellas son como nuestro sol, y se convertirán en enanas blancas cuando alcancen se estado de colapso.

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Cuando el núcleo de una estrella  se colapsa y experimenta una crisis energética, la fuente de energía básica de la estrella, que es el hidrógeno, se agota. El caparazón de hidrógeno en el borde del núcleo colapsado se comprimirá y calentará. La fusión nuclear del hidrógeno en el caparazón producirá un nuevo aumento de potencia que hará que las capas exteriores de la estrella se expandan hasta que tenga un diámetro cien veces mayor que el actual. 

Esto se llama fase de gigante rojo de la existencia de una estrella (es una estrella evolucionada que ha agotado el combustible de hidrógeno en su núcleo y está alimentada por reacciones nucleares en un caparazón caliente alrededor del núcleo. El diámetro de un gigante rojo es mucho mayor que nuestro Sol, y su temperatura superficial es relativamente baja, por lo que brilla de un color rojo).

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Cien millones de años después de la fase de gigante rojo, todos sus recursos energéticos disponibles se agotarán. El gigante rojo agotado hinchará su capa exterior dejando atrás un núcleo caliente. El gigante rojo agotado hincha su capa exterior dejando atrás un núcleo caliente. Este núcleo caliente se llama estrella tipo Wolf-Rayet después de los astrónomos que identificaran por primera vez estos objetos. Esta estrella tiene una temperatura superficial de alrededor de 50.000 grados Celsius y una furiosa ebullición de sus capas exteriores en un viento muy rápido que viaja a 6 millones de kilómetros por hora.

Chandra NGC 6543

La radiación de la estrella calienta la atmósfera de la gigante roja, que se mueve lentamente y crea una capa filamentosa compleja y elegante, llamada nebulosa planetaria. Las imágenes de rayos X revelan nubes de gases que han sido comprimidos y calentados por el viento estelar. Al final, la estrella central se colapsa para formar una enana blanca. En el estado de enana blanca, todo el material contenido en la estrella, menos la cantidad que ha volado en la fase de gigante roja, se empaqueta en un volumen de una millonésima parte del tamaño de la estrella original. Durante un billón de años más o menos después de que la estrella se colapsara para formar la enana blanca, esa enana blanca está caliente con superficies superficiales a los 20.ooo grados centígrados.

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Cuando fueron descubiertas por primera vez, las enanas blancas presentaron una paradoja para los astrónomos. Si una enana blanca no pudiera producir energía a través de la fusión nuclear, ¿cómo podría generar la presión necesaria para evitar que siga colapsándose?. No parecía posible, sin embargo, allí estaban, brillando tenuamente y recordando a los científicos que "la culpa no está en las estrellas, sino en sus propias teorías", parafraseando a Shakespeare. Esta paradoja no se resolvió hasta que la teoría cuántica de la materia se desarrolló en la década de los años 1.920.  Esta teoría demostró que la materia en los llamados estados "degenerados" de densidad extremadamente alta podría producir un nuevo tipo de presión nunca observado en un laboratorio de la Tierra. Se debe a que la teoría cuántica prohíbe que más de un electrón ocupe el mismo estado de energía.

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Nos podemos imaginar un parking de coches para ver como funciona esto. Solo se permite aparcar un coche por espacio, cuando hay muchos espacios vacíos, hay muy poco movimiento en el parking, por lo que cuando un auto entra de manera ocasional, se estaciona rápidamente. Sin embargo, cuando está lleno el parking, la imagen cambia. Hay un movimiento continuo a medida que los coches se mueven de una fila a otra, mientras los conductores buscan una plaza para aparcar. La presión aumenta para posicionarse cada vez que se abre un espacio libre.

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La materia extremadamente densa es como un parking lleno de gente. Se toman todos los "espacios de estacionamiento" de baja energía, por lo que los electrones se ven obligados a estados de mayor energía, no porque estén calientes, sino porque no hay otro lugar a donde ir. Esto crea una presión de electrones degenerada (se refiere al hecho de que todos los estados de baja energía estás ocupados). Esta presión es  lo que impide que las estrellas enanas blancas se colapsen por su propio peso.

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Ahora nos vemos obligados a hablar del limite de Subrahmanyan Chandrasekhar, que cuando tenía veinte años usó la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica para demostrar que la presión degenerada de los electrones puede hacer muy poco. Si la masa de la enana blanca llega a ser más de 1,4 veces la masa del Sol (llamada limite de Chandrasekhar) se colapsará. En un sistema estelar binario esto podría suceder si una estrella compañera cercana arroja suficiente material sobre una enana blanca para empujarla sobre el límite de Chandrasekhar. Se cree que el colapso  la explosión resultantes de la enana blanca son responsables de las denominadas supernovas tipo Ia. Las observaciones de enanas blancas son difíciles porque se enfrían rápidamente y se oscurecen. Cuando son muy jóvenes y sus superficies calientes pueden producir rayos X. En estas raras ocasiones, los telescopios de rayos X proporcionan información valiosa sobre la naturaleza de una enana blanca recién formada.

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A medida que la materia capturada de una estrella cercana, cae sobre la superficie de la enana blanca, acelera, y gana energía. Esta energía se usa para calentar el gas en la superficie a temperaturas superiores de varios millones de grados. El gas caliente brilla intensamente en rayos X. Cuando se analiza cuidadosamente este proceso puede revelar la masa de la enana blanca, su velocidad de rotación y la velocidad a la que la materia está cayendo sobre ella. 

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En algunos casos, la materia que se acumula en la superficie puede volverse tan caliente y densa que ocurren reacciones nucleares. Cuando esto sucede, la enana blanca de repente se vuelve 10.000 veces más brillante a medida que las capas exteriores explosivas son arrastradas en lo que se llama un estallido nova. Después de un mes el ciclo comienza de nuevo. Pensar en una enana blanca como una estrella quemada o muerta es incierto. Es más como una transformación o metamorfosis de una etapa a otra.

NASA - Concepto artístico Enana Blanca

Resumiendo, una enana blanca es en lo que se vuelven las estrellas como nuestro sol después de haber agotado su combustible nuclear. Cerca del final de esta etapa de combustión nuclear, este tipo de estrella expulsa la mayor parte de su material externo, creando una nebulosa planetaria. 

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Solo queda el núcleo caliente dela estrella, y este núcleo se convierte en una enana blanca muy caliente, con una temperatura superior a 99.727 grados Celsius (unos 100.000 grados Kelvin). Si no adquiere material de una estrella cercana, se enfría durante los siguientes mil millones de años más o menos.

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Una enana blanca típica es la mitad de masiva que el Sol, pero solo un poco más grande que la Tierra. Ahora bien, una enana blanca es 200.000 veces más densa. Esto hace que las enanas blancas sean una de las colecciones de materia más densa, superadas solo por las estrellas de neutrones.

NASA - APOD 10/9/2000 hubble

Como una enana blanca no puede crear presión interna, la gravedad compacta la materia hacia el interior hasta que incluso los electrones que componen los átomos de una enana blanca son aplastados. En circunstancias normales, electrones idénticos no pueden ocupar el mismo nivel de energía. 

NASA NGC 6388

Como solo hay dos formas en que un electrón puede girar, solo dos electrones pueden ocupar un solo nivel de energía. A esto se lo conoce en física como el principio de exclusión de Pauli. 

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En un gas normal, esto no es un problema porque no hay suficientes electrones flotando para llenar por completo todos los niveles de energía. Pero en una enana blanca, la densidad es mucho mayor, y todos los electrones estás mucho más cerca. Esto se conoce como gas degenerado, lo que significa que todos los niveles de energía en sus átomos se llenan de electrones.

NASA Sirius B

Para que la gravedad comprima aún más a la enana blanca, debe obligar a los electrones a donde no puedan ir. Una vez que una estrella está degenerada, la gravedad no puede comprimir la más, porque la mecánica cuántica dicta que no hay más espacio disponible que se pueda ocupar. Así que nuestra enana blanca sobrevive, no por fusión interna, sino por principios mecánicos cuánticos que previenen su colapso completo.

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Fuente: Chandra /NASA