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Una nueva teoría señala a los “vórtices zombi” como un paso clave en la formación de estrellas


 

Un equipo de la Universidad de Berkeley ha descubierto su importancia en el proceso de desestabilización del disco de gas que colapsa en el protoplaneta.

Un grupo de expertos en dinámica de fluidos de la Universidad de Berkeley, en California, ha formulado una nueva teoría que muestra cómo los ‘vórtices zombi’ ayudan en el proceso que conduce a la formación de estrellas. El trabajo, publicado en el periódico Physical Review Letters y liderado por el físico computacional Philip Marcus, detalla cómo las variaciones en la densidad del gas conducen a una inestabilidad, lo que posteriormente genera los vórtices con apariencia de remolinos que son necesarios para la formación de una estrella.

Los astrónomos aceptan que en el primer paso en el nacimiento de una nueva estrellas densas nubes de gas colapsan en agrupaciones que, con la ayuda de impulsos angulares, se transforman en uno o más discos en los que una protoestrella comienza a formarse. Pero para que la protoestrella pueda crecer y convertirse en algo más grande, el disco giratorio necesita perder algunos de sus impulsos angulares, para que el gas pueda frenar y realizar una espiral hacia dentro de la protoestrella. Una vez que ésta obtiene la masa suficiente, puede desencadenarse la fusión nuclear.

“Después de este último paso, se considera que la estrella ha nacido”, confirma Marcus, profesor en el departamento de Ingeniería Mecánica. Sin embargo, lo que se ha mantenido brumoso hasta este momento es cómo el disco pierde su impulso angular para que la masa pueda caer dentro de la protoestrella.

Las teorías más aceptadas en astronomía se referían a los campos magnéticos como la fuerza desestabilizante que reducía la velocidad del disco. Pero el problema de esta teoría es que los gases necesitan ser ionizados, o cargados con electrones libres, para poder interactuar con un campo magnético. Como quiera que sea, estas regiones de un disco protoplanetario están demasiado frías como para que suceda la ionización.

“Los modelos actuales muestra que, puesto que el gas en el disco está demasiado frío como para interactuar con el campo magnético, el disco es muy estable –confirma Marcus-. Muchas regiones son tan estables que los astrónomos las llaman zonas muertas, por lo que no ha estado claro hasta hoy cómo el disco se desestabilizaba y colapsaba dentro de la estrella”. Los investigadores también destacan que los modelos actuales también fallan en la contabilización de los cambios en la densidad del disco de gas de un protoplaneta, que están basados en su altura.

 


Esta es una ilustración de una enana marrón, localizada por el Spitzer Space Telescope de la NASA, y rodeada por un disco protoplanetario giratorio. Imagen cortesía de NASA/JPL-Caltech.


“Este cambio en la densidad crea la puerta para una violenta inestabilidad”, relata Pedram Hassanzadeh, coautor del estudio y doctorando en Ingeniería Mecánica en Berkeley. Cuando los investigadores recuentan los cambios de densidad en sus modelos computerizados, los vórtices en 3D emergen el disco protoplanetario, y esos mismos vórtices generan más vórtices, lo que conducen a la interrupción eventual del impulso angular del disco del protoplaneta.

“Puesto que el vórtice nace en una de esas zonas muertas, y porque nuevas generaciones de vórtices gigantes avanzan a lo largo de esas zonas muertas, nos referimos afectuosamente a ellos como ‘vórtices zombi’ –desvela Marcus-. El ‘vórtice zombi’ desestabiliza el gas orbitante, lo que le permite precipitar dentro de la protoestrella y completar su formación”.

Los investigadores señalan que los cambios en la densidad vertical de un líquido o un gas suceden a lo largo de la naturaleza, desde los océanos en los que el agua cercana al fondo es más fría, salina y densa que el agua cercana a la superficie, hasta nuestra atmósfera, en la que el aire es más delgado en las capas más altas. Estos cambios de densidad generan a menudo turbulencias y vórtices como los remolinos, los huracanes y los tornados. Así, por ejemplo, la atmósfera de densidad variable de Júpiter alberga numerosos vórtices, incluyendo el famoso Great Red Spot.

Este nuevo modelo ha despertado el interés de los colegas de Marcus en Berkeley, lo que incluye a Richard Klein, profesor adjunto de Astronomía y astrofísico teórico en el Lawrence Livermore National Laboratory. Él y sus compañero experto en el estudio del proceso de formación de las estrellas Christopher McKee, profesor de Física y Astronomía en Berkeley, no tomaron parte en el estudio ahora publicado, pero están colaborando con Marcus para someter los ‘vórtices zombi’ a más tests.

Klein y McKee han trabajado durante la última década para calcular ese primer paso crucial en el proceso de formación de las estrellas, que se describe como el colapso de nubes gigantes de gas para formar discos parecidos a los populares ‘frisbees’. De hecho, están colaborando con el equipo de Marcus para ayudarles con sus velocidades computerizadas, temperaturas y densidades del disco que rodea a la protoestrella. Esta colaboración permitirá que el equipo de Marcus pueda estudiar la formación y la marcha de los ‘vórtices zombi’ en un modelo más real de disco.

“Otro equipo de investigadores ha descubierto inestabilidades en los discos protoplanetarios, pero un parte del problema es que esas inestabilidades precisan de agitaciones continuas –detalla Klein. Lo bueno del ‘vórtice zombi’ es que se autorreplica, por lo que incluso si se da comienzo con sólo unos pocos vórtices, ellos mismos pueden conseguir cubrir toda la zona muerta del disco”.

El estudio se ha llevado a cabo con fondos de la National Science Foundation, y ha contado, además, con la participación del estudiante de doctorado Suyang Pei y del investigador postdoctoral del Departamento de Ingeniería Mecánica Chung-Hsiang Jiang.

 

 

 
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