Rubén Fedriani, el gaditano que ha descubierto el origen de las estrellas

Rubén Fedriani: ha nacido una estrella y él sabe cómo

Rubén Fedriani es matemático, astrofísico y gaditano. Ordenen los factores como quieran porque no se va a alterar el producto: un investigador de 28 años que acaba de descubrir, junto al equipo que lidera desde el Dublin Institute for Advanced Studies (DIAS), una de las claves fundamentales en el estudio de la formación de las estrellas.

De su Cádiz natal conserva Rubén tres pasiones: la comida, el deporte y un amor por la astronomía que le viene por haber contemplado, durante años, cielos de ensueño como el de la playa de Zahora, en Barbate, donde en una noche despejada se puede ver perfectamente la Vía Láctea y un sinfín de estrellas”.

En la Universidad de Cádiz (UCA) cursó Matemáticas. A la vuelta de su beca Erasmus en Alemania –“donde aprendí muchísimo en lo académico y en lo personal” conoció a quienes serían sus supervisores del trabajo de fin de grado: una matemática astrofísica y un estadístico. Ese fue el primer contacto que le llevó de los números a hacer de aquel cielo de Zahora su profesión.

un ‘galáctico’

Terminó Matemáticas con especialización en Astronomía y Geodesia en la Universidad Complutense de Madrid (UCM). La misma donde decidió hacer el Máster de Astrofísica, pero en la facultad de Físicas. Aquí fue donde me pasé al lado oscuro. Para mis colegas matemáticos, soy ‘el poco riguroso’ astrofísico. Y para mis colegas astrofísicos soy ‘el demasiado riguroso’ matemático”, cuenta con toda su ironía gaditana.

«Lo fundamental de este asunto es que estamos cada día más cerca de tener una teoría unificada que explique la formación estelar independientemente de la masa».

Al poco, consiguió una beca de investigación de la Agencia Espacial Europea (ESA) en su centro de Astronomía en Madrid (ESAC), que para un científico es como si a un jugador de fútbol le ficha el Real Madrid, todo un sueño”. Allí hizo un catálogo de estrellas enanas M, “propicias para encontrar exoplanetas en la llamada zona habitable”. Un proyecto que le sirvió, hace cuatro años, para poder elegir beca de doctorado en el DIAS de Dublín. Ahora está a punto de terminar su tesis.

D.Han / NASA.

“Gracias al doctorado he recorrido medio mundo, siempre con el factor común de la astrofísica y la buena gente”; grandes profesionales con los que ha logrado medir por primera vez la verdadera masa y la energía de un chorro protoestelar lanzado por una estrella joven masiva.

En concreto, la G35.2-0.74N, situada en la ‘cola’ de la constelación que representa al Águila. Entre amigos la llamamos G35.2N. Es una protoestrella masiva, de más de 11 veces la masa de nuestro Sol”, apunta Fedriani.

Entrevista con Rubén Fedriani
Imagen de la región de formación estelar G35.2-0.74N en la constelación del Águila, compuesta por los datos de infrarrojo aportados por el telescopio espacial Hubble (HST) y el radiotelescopio Very Large Array (VLA). En torno al núcleo (marcado por una cruz blanca), se observa la densa nube de polvo que está colapsando para formar la estrella. En contornos rojos resalta la emisión de gas ionizado del chorro producto de los choques de material. R. Fedriani / ‘Nature’.

El momento ¡Eureka!

– ¿Cómo surgió la idea de medir la actividad de esta estrella?

El supervisor de mi tesis me dio datos de esta protoestrella aportados por el telescopio infrarrojo Very Large Telescope (VLT), del Observatorio Europeo Austral (ESO), ubicado en el desierto de Atacama (Chile). En principio, íbamos a medir las propiedades cinemáticas y dinámicas del chorro expulsado por dicha estrella. Previamente ya había estudiado características de otra estrella joven masiva que me llevaron a buscar nuevas formas de medir su actividad. Así fue como para el estudio de G35.2N busqué información adicional y encontré datos de dos telescopios más. Por un lado, las ondas de radio del radiotelescopio Very Large Array (VLA), ubicado en Nuevo México (Estados Unidos) y, por otro, el infrarrojo del telescopio espacial Hubble. Al analizar los datos conjuntamente, llegó el momento ‘eureka’. Para entendernos, vi con dos ‘gafas’ distintas el chorro protoestelar. Y ambas contaban la misma historia desde dos puntos de vista diferentes.

– ¿Y qué hizo entonces?

Se lo conté a mis supervisores y fue una sorpresa para todos, pues supuso que pudiéramos medir por primera vez en una estrella masiva, y entiendo que esto no es muy comprensible para la mayoría, la fracción de ionización del chorro protoestelar y, a partir de ahí, su verdadera masa y energía. Estos chorros nos ayudan a descifrar el origen de las estrellas masivas, ya que estas están ocultas tras una densa nube de gas y polvo. La idea me llevó a encabezar la investigación, colaborando con los mejores investigadores del mundo en esta materia. Después de un año de trabajo intenso, el pasado 9 de agosto publicamos por fin el trabajo en ‘Nature Communications’.

«[El giro y colapso de las nubes moleculares] sigue el mismo principio de los patinadores sobre hielo […] cuando abren los brazos van más lentos y cuando los cierran, giran sobre sí mismos muy rápido».

– ¿Qué es exactamente un chorro protoestelar?

Se podría decir que es la expulsión de material a través de una combinación de fuerza centrífuga y fuerza magnética que se da en la formación de estrellas. También en las estrellas masivas, que son aquellas que tienen una masa más de ocho veces superior a la del Sol. No sabemos cómo se forman estas grandes estrellas, pero existen varios modelos que intentan explicarlo. Uno de estos modelos apunta a que se originan tomando su masa a través de un llamado disco de acreción o acrecimiento, como el drenaje de un lavabo absorbiendo agua. El chorro protoestelar es material expulsado por parte de ese sistema estrella-disco, como respuesta natural a la acreción. Creo que la mejor manera de explicarlo es viéndolo en esta recreación (adjunta abajo).

Estrellas muy lejanas

– ¿De qué están compuestos estos chorros protoestelares?

Fundamentalmente, por diferentes átomos, como hidrógeno, hierro, sulfuro, nitrógeno, entre otros, y por moléculas como el hidrógeno molecular (H2) y el monóxido de carbono (CO), solo por nombrar dos. Pero cuesta llegar a más detalles, pues las estrellas masivas representan menos del 1% de la población total de estrellas, suelen estar muy lejos (G35.2N en particular está a más de 7.000 años luz) y son difíciles de observar.

– ¿Cómo es lanzada toda esta materia?

Uno de los resultados principales del artículo ha sido la medición de un parámetro que nos hace plantear la hipótesis de que el chorro es lanzado magneto-centrifugalmente, ¡menuda palabrota! Esto significa que hay un campo magnético, como un imán o una dinamo gigante, que ayudado de una gran centrifugadora, como la de una lavadora, en este caso el disco de acreción, ayuda a lanzar el chorro a distancias astronómicas. Literalmente, estos chorros se ven a varios cientos de miles de unidades astronómicas respecto de la fuente central. Recordemos que una unidad astronómica es la distancia media entre la Tierra y el Sol.

Entrevista con Rubén Fedriani

Hacia una teoría unificada

– ¿Y expulsa lo mismo que ‘come’?

El mecanismo de lanzamiento nos puede ayudar a entender el mecanismo de acreción, es decir, de qué manera ‘come’ y crece la estrella. Lo fundamental de este asunto es que estamos cada día más cerca de tener una teoría unificada que explique la formación estelar independientemente de la masa, salvando algunos detalles, claro. Las observaciones son claves para confirmar o refutar dichas teorías.

– ¿Qué va a aportar este descubrimiento?

Por un lado, saber que es posible medir la verdadera energía y la masa total del chorro en objetos de alta masa. Y segundo, ofrecemos un método para que otros grupos puedan medir en otros objetos este mismo parámetro y poder compararlo para un mayor número de protoestrellas; y así confirmar o refutar nuestra hipótesis de un mecanismo común de formación.

La gran pregunta

– ¿Cómo nace una estrella?

Es curioso que lo que puede reducirse a una pregunta de tan solo cuatro palabras ha sido objeto de estudio durante cientos de años. Se dice que una estrella nace cuando alcanza la denominada ‘edad cero’ en la secuencia principal, comenzando la quema de hidrógeno en su interior. De una manera muy resumida y a grandes rasgos, la formación de una estrella comienza con el colapso gravitacional de una nube molecular con un cierto giro inicial. Esta nube va colapsando (se hace más pequeña y más densa) y va girando cada vez más rápido.

– ¿A qué se debe esa aceleración?

Es el mismo principio de los patinadores sobre hielo, que cuando abren los brazos van más lentos y cuando los cierran, giran sobre sí mismos muy rápido. Esto se llama la conservación del momento angular y lo hacen tanto los patinadores como las nubes moleculares. Así es como se forma el objeto central, la propia protoestrella, creándose a la vez un disco de acreción a su alrededor. En el centro de este disco está la protoestrella acumulando material. Y la respuesta natural de esta acreción es la expulsión de material, como he comentado antes. Tras varios millones de años, unos 10 o incluso más, la protoestrella ha alcanzado su fase final y está preparada para nacer y quemar hidrógeno como una estrella en todo su esplendor.

«Las estrellas son como muchas personas: cuanta más comida tienen delante, más comen […] la masa final de una estrella depende de la reserva donde se esté formando».

– ¿Y este mecanismo es siempre igual?

En las estrellas de baja masa, parecidas al Sol, e incluso en las llamadas Herbig, con una masa menor de ocho veces superior a la de nuestro astro, el mecanismo sería el que acabo de explicar. ¿Pero qué ocurre más allá de ocho masas solares? Esta pregunta no es fácil de responder y en ello estamos trabajando numerosos grupos de astrofísicos. Existen teorías que sugieren que la formación de estrellas masivas puede ser fruto de la colisión de estrellas menos masivas.

Región de formación estelar Nebulosa de la Quilla, o Carina, en la que se encuentra la estrella hipergigante Eta Carinae, altamente luminosa y con una masa de entre 100 y 150 veces la del Sol. HubbleSite

– ¿Por qué unas tienen menos masa que otras?

En este aspecto, las estrellas son como muchas personas: cuanta más comida tienen delante, más comen. Básicamente, la masa final de una estrella depende de la reserva donde se esté formando. Existen regiones de formación estelar donde se observa una gran proporción de estrellas de masa baja e intermedia, como puede ser la constelación de Tauro, y existen regiones de formación estelar donde se observan numerosas estrellas masivas, como puede ser Orión. Esto no quiere decir que en las regiones de formación masiva no existan estrellas de baja masa; simplemente se ve una correlación de estrellas más masivas en regiones de formación estelar más masivas.

Entrevista con Rubén Fedriani
Fedriani en el Telescopio Nazionale Galileo de la Isla de La Palma.

‘Atracones’ estelares

– ¿Cuánto tiempo tarda en formarse una estrella?

Depende mucho de la masa de esta, y al ritmo en que gana masa. Para entenderlo gráficamente, algunas de baja masa pueden ‘comerse’ un par de Tierras al año. Para formar un Sol a este ritmo, nos llevaría unos 10 millones de años o algo más. Esto es lo que nos cuentan los modelos y las observaciones. En el caso de las estrellas de alta masa, la historia cambia. El ritmo de acreción es mucho mayor y se puede encontrar algunas capaces de ‘comerse’ más de 30 Tierras al año en masa y puede haber picos en los que en un año pudiera darse un ‘atracón’ de un Júpiter en masa. Esto significa que, a este ritmo, tan solo se necesitan unos 100.000 años para formar una estrella de 10 masas solares o más, si ha habido suficientes estallidos de acreción, o ‘atracones’, hablando en un lenguaje más cercano.

– ¿Cómo es la vida de una estrella? 

Esto, de nuevo, depende mucho de la masa de la estrella. No vive igual una estrella como el Sol que una mucho más masiva. El Sol y las estrellas de este tipo se pasan la mayor parte de su vida fusionando hidrógeno en deuterio y luego helio. Nuestro astro tiene aproximadamente 4.600 millones de años y le quedan otros 5.500 millones (año arriba, año abajo), así que podemos decir que está en la mitad de su vida. Cuando acabe con su reserva de hidrógeno y helio se convertirá en una enana blanca pasando por la fase de gigante roja donde probablemente engullirá a la Tierra.

Rock’n’roll star

– ¿Y las estrellas masivas no tienen la misma vida?

A mí me gusta decir que la vida de una estrella masiva es como la de una estrella de rock, viven vidas cortas pero intensas y su muerte resuena en las generaciones que están por venir. Lo de cortas se ve rápido, sabiendo que una estrella de 10 veces la masa del Sol vive unos 30 millones de años, pocos en comparación con los 10.000 millones de años que vivirá nuestra estrella. Lo de intensas se refiere a que estas estrellas de alta masa fusionan elementos como hidrógeno, helio, pasando por carbono-nitrógeno-oxigeno e incluso llegando al hierro, pero aquí paran.

«A mí me gusta decir que la vida de una estrella masiva es como la de una estrella de rock, viven vidas cortas pero intensas y su muerte resuena en las generaciones que están por venir».

Una vez agotada la fusión, la gravedad les vence, colapsan catastróficamente y explotan en forma de supernovas dejando una estrella de neutrones en su centro, o un agujero negro si la estrella es suficientemente masiva. Y lo de que su muerte resuena en las generaciones futuras viene a que cuando explota como una supernova, el medio se enriquece con elementos más pesados que el hierro y pasan a formar parte de otros sistemas estelares.

Un exoplaneta con agua en la zona habitable

– En abril de 2018 supimos que el telescopio Hubble detectó la estrella más lejana jamás observada, Icarus, que nació a 9.000 millones de años luz de la Tierra.  ¿Cree que con los instrumentos actuales podremos llegar a detectar objetos estelares más lejanos aún?

Por supuesto. En 2018 observamos Icarus. En 2019 hemos observado por primera vez la sombra producida por un agujero negro, ¡y esto es verdaderamente increíble! Hace unos días, se ha detectado agua en un exoplaneta que está en la zona habitable, es decir, que soporta agua líquida, por primera vez. Es cuestión de tiempo que detectemos cosas que aún no sabemos ni explicar. El año que viene se lanzará el James Webb Space Telescope (JWST). Este será el sucesor del Hubble. Es casi tres veces mayor, mucho más sensible y observará en ventanas nunca exploradas. No es ningún secreto que el Hubble ha revolucionado la astrofísica en general y la formación estelar en particular; no me puedo ni imaginar lo que JWST nos depara, pero estoy seguro de que será muy emocionante y será muy divertido formar parte de ello.

Recreación del telescopio JWST. NASA

– ¿Qué nuevos proyectos tiene y qué hará tras el doctorado?

Estoy con un grupo muy activo involucrado en varios proyectos. Dentro de mi propia investigación estoy concentrado en el estudio de unos datos que solicitamos del telescopio infrarrojo VLT en un proceso altamente competitivo para analizar otras propiedades de otras protoestrellas masivas. Por suerte, el objeto que estudio ahora tiene emisión del disco, donde podemos aplicar el modelo que hemos desarrollado en el grupo junto a mi compañera de doctorado, de modo que estoy escribiendo otro artículo donde analizamos la interacción disco-chorro.

Tras el doctorado, iré a Suecia donde me han ofrecido un puesto de postdoctorado para seguir investigando la formación de estrellas masivas. Allí hay un grupo de investigadores que son expertos en la materia a nivel mundial. Seguro que aprenderé mucho y podré seguir haciendo lo que más me gusta: perderme en las estrellas.

En Nobbot |  La explosión estelar que nos hizo caminar de pie (y no para observar el cielo)

Imágenes | R.Fedriani / NASA / ESO / NATURE

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