¿Qué son los Protoestrellas? El Nacimiento y Formación de Nuevas Estrellas

Introducción

Las estrellas, esos brillantes puntos de luz esparcidos por nuestro cielo nocturno, todas comienzan sus vidas de manera similar: como protoestrellas. Pero, ¿qué son exactamente? ¿Cómo se forman y qué papel juegan en el nacimiento de una estrella? Vamos a sumergirnos en el fascinante mundo de las protoestrellas para descubrir sus secretos.

Una protoestrella es una estrella joven que aún está en proceso de formación. Representa una etapa temprana en el desarrollo de una estrella. Esto ocurre después de que una región densa en una nube molecular colapsa. Después de la fase de protoestrella, comenzará la secuencia principal, donde pasará la mayor parte de su vida.

Durante esta fase temprana de formación estelar, una protoestrella pasa por muchos cambios. Acumula masa, se calienta y eventualmente comienza la fusión nuclear en su núcleo. Estos procesos determinan las características de la estrella, como su masa, temperatura y brillo, que moldearán toda su vida.

En este artículo, exploraremos la vida de una protoestrella, desde su formación en nebulosas hasta su transformación en una estrella de secuencia principal. Examinaremos los procesos físicos involucrados, los cambios que atraviesa y la importancia de esta etapa en el panorama más amplio de la formación de estrellas y planetas.

Protoestrella en Herbig-Haro 46/47.

El Lugar de Nacimiento de las Estrellas: Nebulosa

Las protoestrellas se forman en las nebulosas, vastas nubes de gas y polvo en el espacio. Estas regiones, a menudo llamadas "viveros estelares," están ricas en hidrógeno, el combustible principal para las estrellas. Dentro de estas nubes, ocurre algo único: la gravedad comienza a atraer el gas y el polvo.

Las nebulosas son estructuras fascinantes y hermosas que se pueden ver en varias formas a lo largo del universo. Algunas, como la Nebulosa de Orión, son fácilmente visibles con telescopios, mientras que otras están más ocultas. Estas nubes pueden tener cientos de años luz de ancho y contener suficiente material para formar miles de estrellas. El gas en la nebulosa es mayormente hidrógeno, pero también contiene otros elementos y partículas de polvo.

Formación de una Protoestrella

1. Colapso Gravitacional: Este proceso comienza cuando una región dentro de una nebulosa se vuelve lo suficientemente densa como para que la gravedad atraiga el material hacia adentro. Eventos como una explosión de supernova cercana, que comprime el gas y el polvo, pueden desencadenar este proceso. A medida que la gravedad atrae el gas y el polvo, comienzan a formarse grumos. Con el tiempo, estos grumos se vuelven más densos y más calientes a medida que más material cae hacia adentro.
2. Fragmentación: A medida que la nebulosa se contrae, puede dividirse en grumos más pequeños y densos. Cada uno de estos grumos puede formar potencialmente una nueva estrella. Este proceso se llama fragmentación y es esencial para la formación de múltiples estrellas dentro de la misma nebulosa. Cada fragmento continuará colapsando bajo su propia gravedad, volviéndose más caliente y más denso.
3. Formación del Núcleo: El material continúa cayendo hacia adentro dentro de estos grumos, formando un núcleo denso. Este núcleo es la protoestrella. A medida que se acumula más material, la temperatura del núcleo aumenta debido a la presión y la fricción del gas que cae. Este calentamiento hace que la protoestrella brille, aunque todavía no es una estrella verdadera.

La energía emitida por la protoestrella está principalmente en la parte infrarroja del espectro, lo que hace que estos objetos sean difíciles de ver con telescopios normales.

Características de las Protoestrellas

1. Temperatura y Luminosidad: Las protoestrellas aún no son lo suficientemente calientes como para iniciar la fusión nuclear en sus núcleos, pero siguen siendo bastante cálidas debido a la energía del colapso gravitacional. A menudo emiten luz infrarroja, lo que las hace visibles con telescopios infrarrojos. A medida que continúan acumulando material, la temperatura de su núcleo aumenta. La fusión nuclear comenzará si el núcleo se calienta lo suficiente, y la protoestrella se convertirá en una estrella de secuencia principal.
2. Disco de Acreción: Un disco giratorio de gas y polvo se forma alrededor de la protoestrella, llamado disco de acreción. El material de este disco cae sobre la protoestrella, haciéndola crecer. El disco de acreción es esencial para la formación de planetas y otros objetos en un sistema estelar. A medida que el cúmulo denso se hace más grande, el material del disco puede unirse para formar planetas, lunas y otros cuerpos celestes.
3. Flujos y Jets: A medida que la protoestrella se desarrolla, puede expulsar material en fuertes jets a lo largo de su eje de rotación. Estos jets ayudan a despejar el gas y el polvo circundantes, haciendo que la joven estrella sea visible. Los jets se forman cuando los campos magnéticos de la protoestrella interactúan con su disco de acreción, acelerando partículas hacia afuera desde la estrella. Estos jets aparecen como rayos brillantes en las imágenes de protoestrellas y son un signo crucial de la formación estelar.

La Evolución de una Protoestrella

La fase de protoestrella es relativamente corta en comparación con la vida útil de una estrella, y solo dura unos cientos de miles a unos pocos millones de años. Durante este tiempo, ocurren varios cambios importantes:

1. Calentamiento: A medida que más material cae sobre la protoestrella, la temperatura de su núcleo aumenta. La temperatura sube porque la energía gravitacional se convierte en calor. Este proceso continúa hasta que la temperatura del núcleo alcanza aproximadamente 10 millones de grados Kelvin.
2. Inicio de la Fusión Nuclear: Cuando comienza la fusión nuclear, la protoestrella se convierte en una estrella de secuencia principal. Esto marca el final de esta fase de vida y el comienzo del largo período estable de la estrella, en el que el hidrógeno se fusiona en helio. La fusión nuclear es el proceso que impulsa a las estrellas, creando la luz y el calor que vemos desde la Tierra. Para una estrella como nuestro Sol, esta fase durará unos 10 mil millones de años.
3. Desprendimiento de Capas Exteriores: Los fuertes vientos estelares y los jets de la protoestrella finalmente expulsan el gas y polvo restantes, haciendo que la nueva estrella sea visible en el espectro de luz visible (es decir, ahora es visible para el ojo humano). Este desprendimiento de material ayuda a despejar el área circundante, permitiendo que la joven estrella emerja por completo. El material restante puede formar planetas, asteroides y otros objetos, creando un nuevo sistema estelar.

¿Qué son los protostars?, Fuente:  https://www.youtube.com/watch?v=a-rUtp7Alh8

El Papel de las Protoestrellas en la Evolución Estelar

Las protoestrellas son una etapa crucial en la formación de estrellas. Sin esta fase, las estrellas tal como las conocemos no existirían. Esta etapa sienta las bases para las características de la estrella, incluidas su masa, composición y vida útil potencial. Comprender las protoestrellas ayuda a los astrónomos a aprender más sobre cómo se forman y evolucionan las estrellas, lo que a su vez proporciona información sobre la formación de planetas e incluso las condiciones necesarias para la vida.

Estudiar las protoestrellas también ayuda a los científicos a comprender los procesos que conducen a la formación de diferentes tipos de estrellas. Por ejemplo, las protoestrellas masivas pueden evolucionar hasta convertirse en estrellas masivas que terminan sus vidas en espectaculares explosiones de supernova. En cambio, las más pequeñas forman estrellas como nuestro Sol, que tienen una vida más larga y estable.

Conclusión

1. Las protoestrellas son las primeras etapas del desarrollo de una estrella, y se forman en nebulosas, vastas nubes de gas y polvo en el espacio.
2. La formación de una protoestrella comienza con el colapso gravitacional, que crea núcleos densos dentro de la nebulosa.
3. Las protoestrellas son cálidas debido al colapso gravitacional y emiten principalmente luz infrarroja. Tienen discos de acreción de gas y polvo, así como potentes jets y flujos que ayudan a despejar el material circundante.
4. A medida que las protoestrellas evolucionan, su temperatura aumenta. Cuando las temperaturas del núcleo alcanzan los 10 millones de grados Kelvin, comienza la fusión nuclear, lo que marca su transición a estrellas de secuencia principal. Los vientos estelares y los jets finalmente despejan el gas y polvo restante, haciéndolas visibles para las personas en la Tierra.
5. Las protoestrellas son esenciales en la formación estelar, ya que determinan las características y la futura evolución de una estrella. Estudiarlas proporciona valiosa información sobre la formación de estrellas y planetas, así como las condiciones necesarias para la vida.

Referencias

1. Dunham, M. M.; et al. (2014). The Evolution of Protostars in Protostars and Planets VI. University of Arizona Press.
2. Myers, P. C. & Benson, P. J. (1983). "Dense Cores in Dark Clouds: II. NH3 Observation and Star Formation". Astrophysical Journal. 266: 309.
3. NASA - "Star Basics"