Gracias al estar trabajando estos días en el Telescopio Anglo-Australiano, ayer volví a participar (tras más de medio año sin poder hacerlo) en el podcast de divulgación científica Coffee Break Señal y Ruido.

En este episodio, el número 420,  Héctor Socas-Navarro, José Edestein, Francis Villatoro, María Ribes, Gastón Giribet, Sara Robisco y yo charlamos de muchas cosas. Por supuesto Francis ya ha hecho un resumen extenso, así que lo único que puedo añadir es recomendar escucharlo o leer el resumen de Francis.

Mi tema principal fue hablar sobre la estrella supergigante roja Betelgeuse, a raíz de un par de artículos recientes en los que se discutía la posibilidad de que la estrella esté realmente al final de su vida y a punto (¡se mencionaba incluso décadas!) de explotar como supernova. Algo que hace sólo 3 años estuvo también en el pensamiento de muchos, consecuencia de la dramática caída de brillo que Betelgeuse experimentó a principios de 2020.

Aunque Coffee Break Señal y Ruido es un podcast, como grabamos con zoom retransmitiendo a YouTube y ya tenía material preparado de otras charlas sobre Betelgeuse, preparé una pequeña presentación para poder explicar mejor el tema. Aprovechando que aquí sigo en el Telescopio Anglo-Australiano, recopilo aquí las ideas principales.

Betelgeuse es una estrella supergigante roja que se encuentra en la constelación de Orión. Es una de las estrellas más brillantes en el cielo nocturno y ha capturado la atención de astrónomos y entusiastas de la astronomía durante siglos. Su nombre viene del árabe, tal y como nos contó María significaría algo así como «la mano del gemelo«, dado que para esa cultura Betelgeuse pertenecía a la constelación de Géminis.

La evolución de las estrellas masivas

Pero centrémonos en la astrofísica. Antes de nada hay que entender qué pasa dentro de las estrellas masivas (las que tienen masas mayores de 8-9 veces la masa del Sol). Las estrellas no son otra cosa que «gigantes cocinas cósmicas» que convierten el hidrógeno en otros elementos. Las estrellas como el Sol (las que llamamos «de la secuencia principal«) tienen un núcleo donde el hidrógeno se transforma en helio por reacciones termonucleares de fusión. Esto es lo que mantiene a la estrella estable (en doble equilibrio: hidrostático y térmico) y la hace brillar. Cuando el combustible se agota la estrella evoluciona. Se convierte en una gigante roja y, si tiene más de 0.5 veces la masa del Sol, es capaz de quemar parte del núcleo de helio, formando carbono y oxígeno. Para las estrellas como el sol la historia acaba ahí: las capas exteriores de la estrella se pierden en el espacio por la poca fuerza gravitatoria, formando una nebulosa planetaria, con el núcleo desnudo de la estrella muerta como una estrella enana blanca.

Pero las estrellas masivas como Betelgeuse tienen otro camino evolutivo. No sólo pueden quemar más helio, sino que también se tiene una capa de hidrógeno formando más helio. El carbono puede además fusionarse formando una capa interna de neón, que a su vez se fusiona para formar oxígeno, que se fusiona para formar silicio, que a su vez también se quema para crear un núcleo de hierro y níquel. Estos elementos son los más estables de la naturaleza: ni se pueden fusionar para crear elementos más pesados, ni se pueden fisionar para crear elementos más ligeros (sin proporcionar energía). Así, el núcleo interior colapsa por su peso hasta alcanzar densidades de los núcleos atómicos, rebota en sí mismo consecuencia de los intensos fenómenos de física nuclear, y se encuentra con el resto de la estrella que está cayendo sobre él. ¿Resultado? La estrella explota en una violeta explosión de supernova (de tipo II).

Ahora bien, las escalas de tiempo de estos procesos son muy distintas. Y he aquí el punto clave para entender los artículos científicos publicados estos días.

Como indica la figura, una estrella de unas 25 veces la masa del Sol sólo necesita unos 7 millones de años para quemar el hidrógeno. La quema del helio ocurre en escaso medio millón de años. Después todo se acelera: la quema del carbono ocurre en 600 años, la del neón en 6 meses, la del oxígeno en 6 días y la del silicio en 1 día, justo entonces ocurriría la explosión de supernova de tipo II.

¿Qué está quemando Betelgeuse ahora mismo?

Esta pregunta es la madre del cordero. ¿Está en la fase de quemado del helio, como se ha sugerido durante décadas? ¿O ha empezado a quemar ya el carbono y está cerca de explotar como supernova, quizá incluso en escalas de las vidas humanas? Para eso hay que saber varias cosas, entre ellas son clave la masa que tiene Betelgeuse, su tamaño y su edad.

La «gran disminución de brillo» de Betelgeuse de 2020

Volvamos un paso atrás. Como decía arriba Betelgeuse experimentó una disminución de brillo muy intensa en enero y febrero de 2020. Esto hizo que mucha gente (aunque casi todos no astrofísicos profesionales) pensaran que, ya está, la explosión de supernova era inminente. Pero esto no fue así. De hecho, se sabe desde hace más de un siglo que Betelgeuse es una estrella variable (=cambio de brillo) de período semi-irregular. Tiene una escala de unos 400 días, pero nunca tiene dos ciclos iguales ni duran lo mismo ni se parecen. Esto se ha medido muy bien en las últimas décadas gracias a la contribución de centenares de astrónomos aficionados, que envían sus observaciones a la base de datos de AAVSO (America Association of Variable Stars Observers).

Como digo, los astrofísicos profesionales no pensaban que la disminución de brillo de Betelgeuse en 2020 significaba que iba a explotar como supernova. Al contrario, se dieron rápidamente dos hipótesis.

La primera sugería que, dado que la estrella es enorme y tiene unos fenómenos convectivos brutales en sus capas externas, lo que estábamos viendo era eso, una zona más oscura (como una mancha solar gigantesca) que hizo bajar el brillo. De hecho, esta hipótesis es parte de la explicación de la semi-irregularidad de la estrella, como modelos hidrodinámicos han mostrado, en que la estrella se infla (enfría y disminuye el brillo) y desinfla (calienta y aumenta el brillo) un poco en unos 400 días, y la aleatoriedad del brillo añadida de la extrema convección.

La segunda hipótesis sugería que la estrella expulsó una gran cantidad de polvo, oscureciendo parte de su luz, lo que la hizo disminuir de brillo. Esto también tiene mucho sentido, dado que precisamente en las partes externas de las atmósferas de las estrellas gigantes y supergigantes se forma gran cantidad de polvo. Sin ir más lejos, observaciones en colores infrarrojos ya detectaron claramente en 2011 usando el Very Large Telescope (VLT)  las envolturas de polvo alrededor de Betelgeuse.

El caso quedó finalmente resuelto en junio de 2021, cuando se publicó en Nature un artículo científico liderado por el astrofísico Miguel Montargès en el que, usando datos del VLT, se confirmaba que la disminución de brillo de 2020 había sido una nube de polvo dispara por Betelgeuse en nuestra visual. Observaciones conseguidas con el Telescopio Espacial Hubble (HST), junto muchas más obtenidas desde Tierra, también lo confirmaban.

Los nuevos artículos sobre Betelgeuse de junio de 2023

El 1 de junio los astrofísicos Saio, Nandal, Meynet y Ekstöm subieron al servidor de pre-prints científicos arXiv un artículo titulado «The evolutionary stage of Betelgeuse inferred from its pulsation periods» y enviado a la revista científica MNRAS. Usando modelos complejos que combinaban fenómenos de convección y pulsación, identificaban que Betelgeuse tiene otro periodo de pulsación radial de 2200 días (con el que podían también explicar la disminución de brillo de 2020), que la masa era de unas 24 veces la masa del Sol, y que el resto de observaciones comparadas con sus modelos sugerían que Betelgeuse se encontraba en las últimas etapas de la quema del carbono, por lo que podría explotar como supernova en las próximas décadas y ser la próxima supernova de la Galaxia.

Por supuesto, esto creó cierto revuelo en los medios, ¡científicos dicen que Betelgeuse está a punto de explotar!

Pero sólo unos días después apareció otro artículo como réplica. Los astrofísicos Molnár, Joyce y Leung subieron a arXiv una «Research Notes of the AAS» titulada «Comment on the Feasibility of Carbon Burning in Betelgeuse«. En este estudio señalaban 2 motivos por los que consideraban que el artículo de Saio y colaboradores no era correcto.

Primero, las consideraciones observaciones. Molnár et al. sostienen que, si se mira la variación de Betelgeuse en las últimas décadas, el periodo de 2220 días que sugieren Saio et al. no puede ser responsable de la disminución de brillo de 2020. En su lugar, como he contado antes, se explica de forma natural por la nube de polvo observada.

Segundo, las consideraciones teóricas. Según Molnár et al. los modelos que usan Saio et al. no consideran lo que pasa más allá del límite de la estrella, cuando se sabe que la interacción entre las capas exteriores de las estrellas supergigantes rojas están en interacción continua con el polvo y el resto de material que tiene alrededor. Dicho de otra forma, los modelos de Saio et al. sugieren que la disminución de brillo de 2020 fue intrínseca, cuando se ha demostrado que ha sido por una nube de polvo.

En resumen, Molnár et al. identifican que el problema principal del artículo de Saio et al. es que los supuestos que usan para estimar el tamaño y la masa de Betelgeuse no son los correctos. Ambos están sobrestimados. Ni Betelgeuse es tan masiva como 24 veces el sol, ni su radio es mayor que 1000 veces el tamaño del Sol.

El quid de la cuestión: ¿cuáles son la distancia y el tamaño de Betelgeuse?

No los sabemos con exactitud. Ahí está el problema principal con respecto a qué está pasado en Betelgeuse.

Empecemos con el tamaño. Betelgeuse es tan grande que, si estuviese donde está el Sol, todo el Sistema Solar interno (los planetas telúricos) y Júpiter estarían dentro de la estrella. Saturno estaría en las capas externas. ¡Por eso es una supergigante! Tal es así que se puede resolver desde la Tierra, si se usan telescopios con mucho aumento, o mejor, interferometría Por ejemplo, el radio-interferómetro ALMA la resolvió hace unos años. Pero es muy difícil sacar su tamaño angular, dado que como hemos dicho palpita, además de que es difícil (mucho) determinar dónde está la fotosfera de la estrella. Las medidas van entre los 42 y los 47 milisegundos de arco.

¿Cómo convertimos el tamaño angular en un tamaño físico? Fácil con trigonometría si sabemos la distancia. Pero, ¡ay!, ¿a qué distancia está Betelgeuse?

Las estrellas tan brillantes y variables como Betelgeuse, a pesar de no estar demasiado lejos, no se pueden medir bien con paralaje. No está medida en Gaia precisamente por eso. Así que hay que usar otros métodos. Durante las últimas décadas se ha apuntado a que la distancia es de unos 750 años luz. Esto haría que el tamaño real de Betelgeuse superara las 1000 veces el tamaño del Sol, y que su luminosidad indicaría que la masa tendría que estar cerca de las 25 veces la del Sol.

Pero en 2020 Joyce (el segundo autor del artículo de Molnár et al.) y colaboradores publicaron un extenso y detallado artículo (en el que como segundo y tercer autores están precisamente Molnár y Leung) titulado «Standing on the Shoulders of Giants: New Mass and Distance Estimates for Betelgeuse through Combined Evolutionary, Asteroseismic, and Hydrodynamic Simulations with MESA«. En este estudio restringían el radio de Betelgeuse a sólo 770 veces el tamaño del Sol, y su distancia a unos 530 años luz, esto es, casi un 25% más cerca de lo que se creía antes. Además, la masa de Betelgeuse estaría entre las 17 y las 19 masas solares, también más baja de lo que se pensaba.

¡Precisamente por eso Molnár et al. fueron tan rápidos de escribir la réplica a Saio et al.! Si Betelgeuse no es tan masiva ni tan grande los modelos son incapaces de ajustar que la estrella esté ya quemando su carbono, que es lo que Saio et al sugerían, por lo que no puede explotar como supernova en sólo unas décadas.

¿Pero tendrán razón? ¿Son las estimaciones de Joyce et al. (2020) las más correctas para la distancia, tamaño y masa de Betelgeuse? ¡Un grupo independiente debería confirmarlo!

La curiosidad histórica: el cambio de color de Betelgeuse en los últimos 2000 años

El documentarme sobre todo esto me llevó a un artículo de 2022 que me pareció altamente interesante. Se trata de Neuhäuser et al. (2022) «Colour evolution of Betelgeuse and Antares over two millennia, derived from historical records, as a new constraint on mass and age» publicado en MNRAS.

Por no alargar más este post (y también porque estoy tardando lo mismo en escribirlo que lo que tardamos ayer en grabar el episodio completo de Coffee Break) sólo diré que, según los estudios históricos de los últimos 2000 años mencionado el brillo y el color de Betelgeuse, Neuhäuser et al. (2022) sostienen que el color de Betelgeuse ha cambiado notablemente en este tiempo, sobre todo al compararse con la otra famosa estrella supergigante roja Antares. Hace 2000 años registros independientes romanos y chinos le daban un color más parecido al de Saturno (anaranjado) que el rojo intenso que tiene ahora. Es más, crónicas medievales, incluyendo árabes, y del Renacimiento van mostrando que el color se hace más rojizo al pasar los siglos. A mí esto me ha parecido fascinante.

Con este estudio, y de nuevo usando modelos, Neuhäuser et al. (2022) concluyen que la masa de Betelgeuse es de unas 14 veces la masa del Sol, y que tendría una edad de unos 14 millones de años. Estas medidas tampoco apoyarían que Betelgeuse estuviese quemando ya su carbono.

Reflexión personal final

En cualquier caso, y esto lo comenté varias veces en el episodio, y lo he dicho en otras ocasiones (como en el episodio de mi podcast en inglés, The Skyentists, en marzo 2020 en el que Kirsten Banks y yo hablamos de la disminución de brillo de Betelgeuse), personalmente yo no quiero ver explotar a Betelgeuse como supernova. No veríamos fuegos artificiales, simplemente un punto muy brillante (algunos dicen casi tan brillante como la luna llena) pero UN PUNTO. Se vería de día durante meses, y luego desaparecería. Con el paso de los meses y años empezaría a verse el resto de supernova, creciendo poco a poco, pero necesitaríamos centenares o miles de años para ver una nebulosa como la nebulosa del Cangrejo.

Sí, sería una oportunidad única para los astrofísicos, que verían muy cerca cómo ocurre todo esto. Pero hay otras estrellas por ahí que preferirían que explotaran antes, como Eta Carina, que no son tan destacadas en el cielo. Betelgeuse es parte del patrimonio cultural de la Humanidad, como el cielo estrellado. Innumerables historias se han contado usando a Betelgeuse como protagonista. Sería una verdadera pena perderla de nuestros cielos.