La luz polarizada de la estrella más brillante de Leo

La estrella Régulo (α Leonis) es un sistema estelar cuádruple: Régulo A es una estrella blanco-azulada con una enana blanca como compañera, cuyo periodo orbital es de 40,11 días; les acompañan Régulo B, una enana naranja, y Régulo C, una enana roja. Régulo A es una estrella de la secuencia principal, como el Sol, pero rota sobre sí misma con un período de solo 15,9 horas —el Sol emplea más de 25,6 días—. Al rotar tan rápido, su forma está achatada en sus polos (figura 1, izquierda); en 1968 Harrington y Collins predijeron que su atmósfera tenía que emitir luz polarizada (figura 2, derecha). Se acaba de publicar en Nature Astronomy la confirmación de esta predicción [1].

Forma y brillo superficial de Régulo A determinado mediante interferometría (izquierda) y modelo teórico de la emisión polarizada de su atmósfera estelar con una longitud de onda de 400 nm (derecha). Fuente: Nature Astronomy [2].

Los electrones en la atmósfera de una estrella dispersan la radiación y la polarizan (igual que ocurre con el fondo cósmico de microondas) tanto de forma perpendicular como de forma paralela a la dirección radial (hacia a su centro), una predicción realizada por el genial físico Chandrasekhar en 1946. En una estrella (casi) esférica la emisión total no está polarizada porque se promedian en su disco ambas direcciones de polarización y resulta un valor casi nulo debido a su simetría (casi) esférica; la única forma de observar este fenómeno es con sistemas binarios donde se rompe la simetría. Esta idea podría permitir la búsqueda de exoplanetas de tipo Júpiter caliente; durante un tránsito estelar la estrella aparenta tener una forma achatada y se produciría una señal en el mapa de polarización. Sin embargo, este método de detección de exoplanetas todavía sin éxito requiere medidas de la polarización de las estrellas más allá de la precisión alcanzable en la actualidad.

Hay otro caso en el que una estrella emite radiación polarizada, cuando realiza una rotación muy rápida; en dicho caso su superficie se achata y aparece un gradiente de temperatura entre los polos y el ecuador que rompe la simetría esférica, permitiendo una emisión polarizada cuya intensidad cambia con la longitud de onda. Harrington y Collins [4] predijeron este efecto en 1968. La razón por la que no ha sido observado hasta ahora (casi 50 años más tarde) es porque la intensidad de esta señal es demasiado débil para ser detectada salvo con polarímetros de alta precisión y en estrellas en rotación muy rápida. La estrella Régulo A en la constelación de Leo es ideal para este estudio.

Diagrama Q/U para la polarización de Régulo A. Fuente: Nature Astronomy [1].

Daniel V. Cotton, de la Universidad de Nueva Gales del Sur, Sidney, Australia, y varios colegas han usado dos polarímetros de alta precisión, PlanetPol, instalado en el Telescopio William Herschel de 4,2 metros en La Palma, Islas Canarias, España —PlanetPol ya está fuera de servicio—, y HIPPI (siglas de High Precision Polarimetric Instrument, o Polarímetro de Alta Precisión), instalado en el Telescopio Angloaustraliano de 3,9 metros. La precisión de HIPPI alcanza las cuatro partes por millón (4 ppm) para estrellas brillantes. La polarización es una magnitud vectorial con dos componentes que se suelen describir mediante los parámetros de Stokes Q/I y U/I en el llamado diagrama Q/U.

La figura 2 muestra el diagrama Q/U para la estrella Régulo A determinado para cinco longitudes de onda (el valor más impreciso —con la cruz en rojo más grande— es el de PlanetPol y los otros cuatro son de HIPPI). Se observa cómo la polarización cambia de forma casi lineal con la longitud de onda desde +42 ppm a 741 nm (color rojo) hasta −22 ppm a 395 nm (color azul), como muestra la figura 2; este cambio de signo conforme se pasa del rojo al azul se ha observado por primera vez, ya que medidas previas de la polarización solo se realizaron a una única longitud de onda. El cambio de signo está asociado al giro en la dirección del vector de polarización de noventa grados, confirmando el modelo de Harrington y Collins de 1968.

La polarización observada indica que Régulo A está rotando sobre sí misma el 96,5% de su velocidad angular máxima; esta velocidad angular crítica (también llamada de rotura) corresponde a la velocidad angular en el ecuador de la estrella tal que los módulos de la fuerza centrífuga y de la atracción gravitacional sean iguales. Más allá de esta velocidad la estrella se volvería inestable y se rompería en pedazos.

Por supuesto, confirmar una predicción teórica que estaba libre de controversias no parece una gran noticia. Sin embargo, considero todo un hito que se haya podido observar en varias frecuencias la polarización de una estrella; en los próximos años se logrará con muchas otras y quizás también se anuncie la primera detección de un exoplaneta de tipo Júpiter caliente con este método. Sin lugar a dudas la astronomía estelar basada en la polarización tiene un futuro muy prometedor.

Este post ha sido realizado por Francis Villatoro (@Emulenews) y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.

Referencias

[1] Daniel V. Cotton, Jeremy Bailey, …, J. H. Hough, “Polarization due to rotational distortion in the bright star Regulus,” Nature Astronomy (18 Sep 2017), doi: 10.1038/s41550-017-0238-6.

[2] J. Patrick Harrington, “Polarization from a spinning star,” Nature Astronomy (18 Sep 2017), doi: 10.1038/s41550-017-0267-1.

[3] S. Chandrasekhar, “On the radiative equilibrium of a stellar atmosphere. X,” Astrophysical Journal 103: 351–370 (1946), doi: 10.1086/144816.

[4] J. P. Harrington and G. W. Collins, “Intrinsic polarization of rapidly rotating early-type stars,” Astrophysical Journal 151: 1051–1056 (1968), doi: 10.1086/149504.

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[…] “La estrella Régulo (α Leonis) es un sistema estelar cuádruple: Régulo A es una estrella blanco-azulada con una enana blanca como compañera, cuyo periodo orbital es de 40,11 días; les acompañan Régulo B, una enana naranja, y Régulo C, una enana roja. Régulo A es una estrella de la secuencia principal, como el Sol, pero rota sobre sí misma con un período de solo 15,9 horas —el Sol emplea más de 25,6 días—. Al rotar tan rápido, su forma está achatada en sus polos (figura, izquierda); en 1968 Harrington y Collins predijeron que su atmósfera tenía que emitir luz polarizada (figura, derecha). Se acaba de publicar en Nature Astronomy la confirmación de esta predicción [1]”. Seguir leyendo en el Cuaderno de Cultura Científica. […]

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