Cúmulos de Estrellas y Poblaciones Estelares

El área de investigación de Cúmulos de Estrellas y Poblaciones Estelares nació con la llegada a Concepción en 1999 de Douglas Geisler, PhD de la University of Washington (Estados Unidos). También fue uno de los co-fundadores del Departamento de Astronomía, en la Universidad de Concepción (UdeC). Hoy, el grupo consiste en dos profesores, Geisler y Sandro Villanova, PhD de la Universita di Padova (Italia), varios investigadores postdoctorales, varios estudiantes de pregrado y postgrado, además de importantes colaboradores internacionales.

La especialidad del profesor Sandro Villanova es el estudio espectroscópico de poblaciones estelares para la determinación de abundancias químicas. Durante su doctorado estudió el cúmulo Omega Centauri, que es un conjunto de estrellas que fue capturado por nuestra galaxia, la Vía Láctea. Villanova determinó que este cúmulo está compuesto por estrellas de edades y contenido de fierro muy diferentes. Por esta razón, se piensa que Omega Centauri era una galaxia enana que fue capturada por la Vía Láctea hace muchos miles de millones de años atrás.

Además de este objeto especial, el profesor Villanova se dedica al estudio de las abundancias químicas en los cúmulos globulares galácticos y a los que pertenecen a las galaxias enanas cercanas como las Nubes de Magallanes. En este contexto se dedica a la determinación de elementos livianos como el Na y el O, cuyas abundancias prueban que los cúmulos globulares no son sistemas simples como se creía hace un tiempo, sino que sufrieron fenómenos de formación estelar prolongada que llevó a un enriquecimiento químico de estos elementos. El estudio del profesor Villanova abarca el Halo de la Vía Láctea, pero también el Bulbo. Esta última estructura empezó a revelarse sólo en los últimos años con el desarrollo de la astronomía infrarroja. Por esta razón, el profesor Geisler y el profesor Villanova empezar con un proyecto de observación de los cúmulos globulares de Bulbo que se basa en los espectros infrarrojos de alta resolución obtenidos con el telescopio de 2.5 metros del observatorio Las Campanas en Chile.

Los primeros resultados evidencian que este sistema de cúmulos es diferente a los del Halo, presentando características químicas peculiares. En el contexto de este proyecto se determinarán también edades precisas y órbitas para poder caracterizar estos objetos de la forma más completa.

Otro campo de investigación que el profesor Villanova empezó recientemente a llevar a cabo es el impacto de la variabilidad en la determinación de las abundancias químicas. En muchos cúmulos globulares se encuentran unas pocas estrellas que difieren de manera significativa en su contenido de fierro con respecto a sus compañeras. Esto esto un resultado real, o se debe a alguna variable que todavía no se toma en consideración. Un trabajo reciente muestra, de forma preliminar, que la variabilidad de estas estrellas puede tener un rol muy importante, y que su diferente contenido de fierro no es real, sino solo el efecto de esta variabilidad que todavía no se toma en consideración en estos tipos de estudios.

El Dr. Geisler está centrado en el estudio de Poblaciones Múltiples en cúmulos de estrellas, utilizando tanto espectroscopía de alta resolución como el sistema de filtro ancho Washington. Dentro de un cúmulo, todas las estrellas deberían tener la misma edad y composición química, habiéndose formado rápidamente de la misma nube molecular. Por muchos años, los astrónomos pensaban que la composición de las estrellas en los cúmulos era la misma y que todas las estrellas tenían la misma edad, pero en la década de los 70 comenzaron a percibir algunas anomalías, especialmente en Cúmulos Globulares (cúmulos de estrellas masivos y viejos). Encontraron que estrellas con la misma metalicidad (contenido de elementos pesados) dentro de un cúmulo presentaban diferencias en sus abundancias de las bandas de CN (Carbono-Nitrógeno) y CH (Carbono-Hidrógeno). Hoy en día, este fenómeno se conoce como Poblaciones Múltiples (MP). Las MP se pueden observar espectroscópicamente, pero esto consume tiempo y se requieren telescopios grandes. Los astrónomos ahora se dan cuenta que se pueden descubrir MPs mucho más rápido y para muchas más estrellas, observando con el filtro fotométrico adecuado. La clave es observar con el ultravioleta (UV). Se han utilizado ampliamente filtros como Johnson U (3570Å), Stromgren u (3537Å) y Sloan u (3600Å), en fotometría para descubrir y estudiar el fenómeno de MP, debido a la sensibilidad en el UV de estos filtros. Sin embargo, estos filtros presentan algunas limitaciones pr´cticas: no son muy anchos y el rango de sus longitudes de onda, concentradas cerca del “corte atmosférico” (donde no pasa más luz debido a la absorción atmosférica de la Tierra), los hace muy sensibles a la extinción interestelar y atmosférica, requiriendo un tiempo de telescopio significativamente grande o el Telescopio Espacial Hubble, HST, (ver fig. 1). El Dr. Geisler se percató de que el sistema fotométrico Washington había sido en realidad, diseñado para estudiar MP, hace muchos años atrás, incluso antes de que este fenómeno se conociera. Esto es debido a que el sistema incluye un filtro, llamado C (por Carbono), introducido para medir la relación en la profundidad de las líneas CN/CH, independientemente de la metalicidad. Es mucho más ancho que los filtros Johnson U o Stromgren/Sloan u, permitiendo así que se puedan observar la misma cantidad de estrellas pero en telescopios más pequeños, y está centrado en aproximadamente 4000Å (más al rojo que los otros filtros), y por tanto, le afecta menos la extinción atmosférica y el “enrojecimiento”, incluyendo de igual forma todas las características de CN y CH cruciales para distinguir las MPs.

Geisler y el ex investigador postdoctoral de la UdeC Jeffrey Cummings, junto a S. Villanova y G. Carraro (ESO-Santiago), recientemente publicaron su trabajo (Cummings et al 2014, AJ 148:27), en el cual estudiaron las poblaciones estelares del cúmulo globular NGC 1851 usando fotometría de Washington. “Confirmamos la existencia de Poblaciones Múltiples en la Rama de Gigantes Rojas (RGB) y la Rama de SubGigantes (SGB) y por tanto, probamos que el filtro C Washington es muy efectivo en detectar MPs. Adicionalmente, encontramos una segunda población en la Secuencia Principal (MS), nunca antes vista en este cúmulo. Esta es también, la primera vez que se han detectado MPs en la MS desde la tierra” , explica Dr. Geisler. La novedad del trabajo es que todos los datos se obtuvieron utilizando el telescopio de 1m SWOPE, localizado en el Observatorio Las Campanas. Investigaciones previas han usado ya sea el HST o telescopios mucho más grandes y/o tiempos de integración mucho mayores. Esto prueba gráficamente la eficiencia de esta técnica.

Ahora han extendido su estudio de MPs en la Nube Pequeña de Magallanes, la cual tiene una gran cantidad de cúmulos nunca antes estudiados. Obtuvieron tiempo de telescopio en el telescopio SOAR de 4 metros, para reunir datos fotométricos. “Habiendo demostrado que este filtro funciona para cúmulos cercanos, en nuestra propia Galaxia, queremos utilizar la eficiencia de nuestra técnica para explorar MPs en otras galaxias. Somos el único grupo en el mundo usando el sistema de filtro Washington para estudiar MPs en cúmulos globulares” , añade Geisler.