De lo pequeño a lo inmenso: cómo nace una estrella

Paola Caselli.

Se llama Paola Casselli y hace un año y medio se mudó, desde la Universidad de Leeds (Inglaterra), a Garching (Múnich, Alemania), para dirigir el “Centre for Astrochemical Studies”, creado en el “Instituto Max Planck para el estudio de la física extraterrestre” (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics). Experta en la astroquímica asociada a la formación de estrellas, ha iniciado una nueva aventura: montar un laboratorio para el estudio de los procesos químicos que tienen lugar en el espacio con el fin de comprender cómo tienen lugar*.

¿Por qué es necesario hacer pruebas en un laboratorio para saber qué ocurre en el espacio?

A veces no sabemos qué molécula estamos observando. Si nos fijamos en los espectros con abundantes líneas, no sabemos cuáles son todas las moléculas que se encuentran en el espacio, por la sencilla razón de que, esas moléculas, normalmente, son muy reactivas en la Tierra, por lo que desaparecen rápidamente en las condiciones experimentales normales de nuestros laboratorios. Por eso tenemos que recrear lo mejor posible las condiciones del espacio en el laboratorio para poder ver las moléculas que observamos, medir sus frecuencias y determinar su estructura, lo que posteriormente nos ayudará a interpretar las observaciones.

Cuando hablamos de astroquímica, hablamos de laboratorios, observaciones, teoría… ¿Qué más? (Se ríe).

Sí, es un montón de trabajo. De hecho se requiere del esfuerzo combinado de muchos expertos en, como bien decías, observaciones, pero también en química. En concreto química cuántica: es necesaria para calcular los coeficientes de colisión, que son fundamentales para determinar la transferencia radiativa, un aspecto fundamental en nuestro campo.

Por tanto, necesitamos a expertos tanto en química cuántica como en transferencia radiativa, que es el vínculo entre las observaciones y la modelización. Así, por ejemplo, recreamos en nuestros ordenadores las nubes que se están formando y luego comparamos la información que obtenemos con las observaciones. Luego, por supuesto, necesitamos a expertos en laboratorios y en el desarrollo de experimentos, tanto para química en fase gaseosa como para la química de superficies. Así que, realmente, es una combinación de varios campos de la investigación científica y, por tanto, una verdadera ciencia interdisciplinar. Es una experiencia enriquecedora, porque aprendes cada día nuevas cosas de personas diferentes.

Pero, ¿qué haces exactamente?

Hasta ahora mi trabajo se centraba en intentar combinar observaciones con modelos, así que he estado observando en regiones específicas relativamente simples del espacio, lo cual me permitiría crear modelos simples y luego ser capaz de interpretar las observaciones de una manera no demasiado complicada.

En concreto, se trataba de medir parámetros que se desconocen y que sólo pueden conseguirse con un modelado preciso y observaciones muy sensibles (al menos para medir estos parámetros). Y estos parámetros son, por ejemplo, cuántos electrones hay en las nubes o cuántos rayos cósmicos penetran en ellas. No hay manera directa de medir estas cosas, por lo que sólo con una combinación de muchos tipos diferentes de observaciones de las moléculas (las que son fáciles de observar), por un lado, y un modelado detallado por otro (además de la transferencia radiativa que une a los dos), seremos capaces de hacer eso.

Así que he estado trabajando principalmente en estos tres aspectos: la teoría, las observaciones y la transferencia radiativa, y ahora quiero añadir este extra, que es el laboratorio, que nos llevará, con suerte, a otro nivel de experiencia y conocimiento. Al menos eso espero.

¿Cómo es posible que en un entorno tan aparentemente vacío acaben formándose estrellas?

Esta es una de las grandes preguntas: cómo se forman las estrellas. Lo que vemos en nuestras galaxias son esas enormes nubes tenues de gas y de polvo. Así que el material está ahí: pueden formarse objetos de cientos de miles de masas como nuestro Sol, pero la pregunta es ¿cómo se concentra en realidad ese gas en un objeto pequeño como una protoestrella?

Al parecer, según lo que entendemos hasta ahora, el proceso consta de varios pasos: primero, por alguna razón, el gas difuso se concentran en gas más denso y entonces comienza la formación de moléculas. Las moléculas, en realidad, son muy importantes en ese paso hacia la formación de estrellas porque, una vez que tenemos moléculas formadas y contamos con, por ejemplo, moléculas como H₂, CO, etc., éstas empiezan a enfriar el gas. Una vez que el gas se enfría tiende a colapsar por su propia gravedad. Este es el primer paso.

Después todo empieza a fragmentarse, porque no es que la nube colapse sólo en un punto sino que tenderá a colapsar en varios puntos y comenzará la fragmentación. Empezamos a tener una especie de núcleos (les llamamos núcleos o “cores”, en inglés, regiones de alta densidad dentro de la nube), y luego, dentro de estos núcleos, cobra protagonismo la gravedad: la masa empieza a concentrarse hacia un centro.

Lo interesante de todo esto es que todo este colapso ocurre en nubes en rotación, que giran lentamente, lo que significa que, debido a la conservación del momento angular – siempre ponemos el clásico ejemplo del patinador con los brazos extendidos que, al acercar sus brazos al cuerpo, empieza a girar más rápido- este gas tiende a girar más y más rápido a medida que se concentra en una pequeña región. Por supuesto, hay algunos otros efectos que ralentizan esta rotación, pero lo importante es que el material no termina en un único punto, sino que acaba formando una estructura plana, como una pizza (cuando empiezas a girar la masa obtienes esta forma de estructura plana).

Esa estructura plana es el disco que rodea a todos esos objetos jóvenes, a esas estrellas que se están formando, y ahí es donde se formarán los planetas. Por supuesto, también hay que tener en cuenta la gravedad.

Pero, resumiendo, el momento angular juega un papel fundamental (de hecho, necesita ser conservado – aunque afortunadamente también se pierde parte del mismo, ya que de lo contrario nuestro Sol rotaría demasiado rápido, casi hasta el punto de ruptura).

No podemos olvidar que, además, influirán todo tipo de movimientos a gran escala, como las explosiones de supernova, que generan choques entre las nubes. Todos estos choques, esos flujos creados, pueden confluir. Si, por ejemplo, eso hace que se genere un punto de convergencia, puede aumentar la densidad del gas, formando una nueva estrella. Es complicado, por eso seguimos investigando estas cuestiones, pero hay cierta comprensión general en torno a los «pasos principales» de este proceso de formación de estrellas.

¿Qué preguntas le gustaría responder en los próximos 10-15 años?

Lo que más me interesaría sería vincular la formación de estrellas con la complejidad química. Una de las cosas que queremos entender es, por ejemplo, cómo se forman y evolucionan las moléculas orgánicas complejas que vemos en el espacio. Así que, una de las preguntas es ¿pueden estas moléculas que observamos en las nubes ser transportadas en las últimas etapas de la evolución, por ejemplo, con la formación del disco protoplanetario? Y, entonces, una vez que se ha formado el disco protoplanetario, ¿adónde van estas moléculas? ¿Quedan atrapadas en los hielos que cubren los granos de polvo? ¿En el interior de dichos granos de polvo?

Si ese es el caso sería fantástico, porque entonces, cuando el polvo coagula y forma pequeñas rocas y, luego, planetesimales, podría atrapar todos estos compuestos orgánicos complejos y pasarlos a la siguiente etapa, que es la formación planetaria.

Por supuesto, la gran pregunta es ¿cuáles son nuestros orígenes? Es decir, todos venimos de ese material difuso en el espacio, así que ¿cómo hemos llegado aquí? Por supuesto, es una gran pregunta que requiere no sólo de astroquímicos para obtener una respuesta, sino que también requiere de astrobiólogos, geólogos, biólogos, etc.

Pero, ¿por qué no? Tenemos que ir en esa dirección, así que, con la ayuda de nuestro trabajo de observación (midiendo las líneas del espectro), y comprendiendo la estructura de las moléculas en nuestro laboratorio, podremos refinar y mejorar nuestros códigos de transferencia radiativa. Luego, comparando teoría y observaciones, y teniendo cada vez más y mejores observaciones (porque las observaciones son, desde mi punto de vista, lo más importante), en algún momento seremos capaces de interpretarlas, y entonces entenderemos los principales procesos y estaremos en disposición de hacer la relación entre nubes difusas y formación de estrellas.

Espero que, en 15 años cuando me hagas de nuevo esta pregunta, pueda darte una respuesta directa.

Más información:
Bridging the gaps, Centre for Astrochemical Studies opens at MPE
Interview with Prof. Paola Caselli, coming soon as director to MPE

*Esta entrevista se hizo con motivo de la “Astrochemistry’s Cool”, una escuela de astroquímica celebrada en septiembre de 2014 en Cuenca y organizada por el proyecto Consolider-Ingenio ASTROMOL y la Universidad Internacional Menéndez Pelayo (UIMP).

Crédito de la imagen: www.mpe.mpg.de

Natalia Ruiz Zelmanovitch

Responsable de comunicación del proyecto europeo Nanocosmos en el IFF-CSIC. A ratos, divulgando #Astrocopla y mezclando ciencia y cabaret. Inseparable de Manuel González. Prima de la gran Agustina Ruiz Dupont. Sin ciencia no hay futuro ni ná de ná.