22.E: Estrellas de la Adolescencia a la Vejez (Ejercicio)

Para mayor exploración

Artículos

Balick, B. & Frank, A. “Las muertes extraordinarias de las estrellas ordinarias”. Scientific American (Julio 2004): 50. Acerca de las nebulosas planetarias, los últimos jadeos de estrellas de baja masa y el futuro de nuestro propio Sol.

Djorgovsky, G. “Las vidas dinámicas de los cúmulos globulares”. Sky & Telescope (Octubre 1998): 38. Evolución del racimo y estrellas azules rezagadas.

Frank, A. “Gigantes enojados del Universo”. Astronomía (octubre de 1997): 32. En variables azules luminosas como Eta Carinae.

Garlick, M. “El destino de la tierra”. Sky & Telescope (Octubre 2002): 30. Qué pasará cuando nuestro Sol se convierta en un gigante rojo.

Harris, W. & Webb, J. “La vida dentro de un cúmulo globular”. Astronomía (julio 2014): 18. ¿Cómo sería el cielo nocturno ahí?

Iben, I. & Tutokov, A. “La vida de las estrellas: desde el nacimiento hasta la muerte y más allá”. Sky & Telescope (diciembre de 1997): 36.

Kaler, J. “Las estrellas más grandes de la galaxia”. Astronomía (Octubre 1990): 30. Sobre supergigantes rojos.

Kalirai, J. “Nueva luz sobre el destino de nuestro sol”. Astronomía (febrero 2014): 44. Qué pasará con estrellas como nuestro Sol entre la secuencia principal y las etapas de la enana blanca.

Kwok, S. “¿Cuál es la verdadera forma de la nebulosa anular?” Sky & Telescope (julio de 2000): 33. Al ver las nebulosas planetarias desde diferentes ángulos.

Kwok, S. “Metamorfosis estelar”. Sky & Telescope (Octubre 1998): 30. Cómo se forman las nebulosas planetarias.

Stahler, S. “La vida interior de los cúmulos estelares”. Scientific American (marzo de 2013): 44—49. Cómo nacen todas las estrellas en racimos, pero diferentes cúmulos evolucionan de manera diferente.

Subinsky, R. “Todo Acerca de 47 Tucanae”. Astronomía (Septiembre 2014): 66. Lo que sabemos de este cúmulo globular y cómo verlo.

Sitios web

BBC Page on Giant Stars: www.bbc.co.uk/ciencia/espacio/u... ts/giant_stars. Incluye información básica y enlaces a breves extractos de video.

Encylopedia Brittanica Artículo sobre cúmulos estelares: http://www.britannica.com/topic/star-cluster. Escrito por la astrónoma Helen Sawyer HogG-Priestley.

Galería de imágenes del Hubble: Nebulosas Planetarias: http://hubblesite.org/gallery/album/nebula/planetary/. Da click en cada imagen para ir a una página con más información disponible. (Consulte también una galería similar en los Observatorios Nacionales de Astronomía Óptica: www.noao.edu/image_gallery/p... y_nebulae.html).

Galería de imágenes del Hubble: Cúmulos de Estrellas: http://hubblesite.org/gallery/album/... /star_cluster/. Cada imagen viene con una leyenda explicativa al hacer clic en ella. (Ver también una galería similar Observatorio Europeo Austral en: www.eso.org/public/images/ar... /starclusters/).

Medir la edad de un cúmulo estelar: www.e-education.psu.edu/astr... ent/l7_p6.html. De Penn State.

Videos

Ciclo de Vida de las Estrellas: https://www.youtube.com/watch?v=PM9CQDlQI0A. Breve resumen de la evolución estelar del Instituto de Física de Gran Bretaña, con el astrónomo Tim O'Brien (4:58).

Misiones Echa un vistazo sin igual a la superestrella Eta Carinae: https://www.youtube.com/watch?v=0rJQi6oaZf0. Video Goddard de la NASA sobre observaciones en 2014 y lo que sabemos del par de estrellas en este complicado sistema (4:00).

Cúmulos estelares: Cúmulos abiertos y globulares: https://www.youtube.com/watch?v=rGPRLxrYbYA. Tres videos cortos de Hubblecast de 2007—2008 sobre descubrimientos que involucran cúmulos estelares (12:24).

Recorrido por la Nebulosa Planetaria NGC 5189: https://www.youtube.com/watch?v=1D2cwiZld0o. Breve episodio de Hubblecast con Joe Liske, explicando las nebulosas planetarias en general y un ejemplo en particular (5:22).

Actividades de Grupo Colaborativo

1. Haz que tu grupo eche un vistazo a la lista de las estrellas más brillantes del cielo en el Apéndice J. ¿Qué fracción de ellas ha pasado la fase de la evolución de la secuencia principal? El texto dice que las estrellas pasan el 90% de sus vidas en la fase de la secuencia principal de la evolución. Esto sugiere que si tenemos una muestra justa (o representativa) de estrellas, el 90% de ellas deberían ser estrellas de secuencia principal. Tu grupo debería hacer una lluvia de ideas sobre por qué el 90% de las estrellas más brillantes no están en la fase de la evolución de la secuencia principal.
2. Leer un diagrama H-R puede ser complicado. Supongamos que a su grupo se le da el diagrama H-R de un cúmulo estelar. Las estrellas arriba y a la derecha de la secuencia principal podrían ser ya sea gigantes rojos que habían evolucionado alejándose de la secuencia principal o estrellas muy jóvenes que todavía están evolucionando hacia la secuencia principal. Discuta cómo decidirías cuáles son.
3. En el capítulo sobre La vida en el universo, discutimos algunos de los esfuerzos que se están realizando para buscar señales de radio de posibles civilizaciones inteligentes alrededor de otras estrellas. Nuestros recursos actuales para llevar a cabo tales búsquedas son muy limitados y hay muchas estrellas en nuestra Galaxia. Su grupo es un comité creado por la Unión Astronómica Internacional para elaborar una lista de las mejores estrellas posibles con las que debería comenzar dicha búsqueda. Haga una lista de criterios para elegir las estrellas de la lista, y explique las razones detrás de cada entrada (teniendo en cuenta algunas de las ideas sobre la historia de vida de las estrellas y escalas de tiempo que discutimos en el presente capítulo).
4. Haga que su grupo haga una lista de las razones por las que una estrella que se formó al comienzo mismo del universo (poco después del Big Bang) no podría tener un planeta con estudiantes de astronomía leyendo libros de texto de astronomía (aunque la estrella tenga la misma masa que la de nuestro Sol).
5. Ya que estamos bastante seguros de que cuando el Sol se convierta en una estrella gigante, toda la vida en la Tierra será aniquilada, ¿su grupo piensa que deberíamos empezar a hacer preparativos de algún tipo? Supongamos que un líder político que se quedó dormido durante grandes partes de su clase de astronomía de repente escucha sobre este problema de un gran donante y nombra a su grupo como un grupo de trabajo para hacer sugerencias sobre cómo prepararse para el fin de la Tierra. Haga una lista de argumentos sobre por qué tal grupo de trabajo no es realmente necesario.
6. Utilice gráficos estelares para identificar al menos un cúmulo abierto visible en esta época del año. (Tales cartas se pueden encontrar en las revistas Sky & Telescope y Astronomy cada mes y sus sitios web; ver Apéndice B.) Las Pléyades y Hiades son buenos temas otoñales, y Praesepe es bueno para ver la primavera. Sal y mira estos racimos con binoculares y describe lo que ves.
7. Muchos astrónomos piensan que las nebulosas planetarias se encuentran entre los objetos más atractivos e interesantes que podemos ver en la Galaxia. En este capítulo, sólo pudimos mostrarte algunos ejemplos de las imágenes de estos objetos tomadas con el Hubble o grandes telescopios en el suelo. Haga que los miembros de su grupo busquen más imágenes de nebulosas planetarias en línea, y hagan una lista “top ten” de sus favoritas (no incluya más de tres que aparecieron en este capítulo). Haz un reportaje (con imágenes) para toda la clase y explica por qué te pareció especialmente interesante tu top cinco. (Es posible que desee verificar Figura\(22.4.4\) en la Sección 22.4 en el proceso.)

Preguntas de revisión

1. Compara las siguientes etapas en la vida de un ser humano y una estrella: prenatal, parto, adolescencia/adultez, mediana edad, vejez y muerte. ¿Qué hace una estrella con la masa de nuestro Sol en cada una de estas etapas?
2. ¿Cuál es el primer evento que le sucede a una estrella con aproximadamente la masa de nuestro Sol que agota el hidrógeno en su núcleo y detiene la generación de energía por la fusión nuclear de hidrógeno a helio? Describir la secuencia de eventos que sufre la estrella.
3. Los astrónomos encuentran que el 90% de las estrellas observadas en el cielo están en la secuencia principal de un diagrama H-R; ¿por qué tiene sentido esto? ¿Por qué hay muchas menos estrellas en la región gigante y supergigante?
4. Describir la evolución de una estrella con una masa similar a la del Sol, desde la etapa protostar hasta el momento en que se convierte por primera vez en un gigante rojo. Da la descripción en palabras y luego dibuja la evolución en un diagrama H-R.
5. Describir la evolución de una estrella con una masa similar a la del Sol, desde justo después de convertirse por primera vez en un gigante rojo hasta el momento en que agota el último tipo de combustible que su núcleo es capaz de fundir.
6. A menudo se describe a una estrella como “moviéndose” en un diagrama H-R; ¿por qué se usa esta descripción y qué está pasando realmente con la estrella?
7. ¿En qué borde de la banda de secuencia principal en un diagrama H-R estaría la secuencia principal de edad cero?
8. ¿Cómo suelen “moverse” las estrellas a través de la banda de secuencia principal en un diagrama H-R? ¿Por qué?
9. Ciertas estrellas, como Betelgeuse, tienen una temperatura superficial inferior a la del Sol y, sin embargo, son más luminosas. ¿Cómo producen estas estrellas tanta más energía que el Sol?
10. La gravedad siempre trata de colapsar la masa de una estrella hacia su centro. ¿Qué mecanismo puede oponerse a este colapso gravitacional para una estrella? ¿Durante qué etapas de la vida de una estrella habría un “equilibrio” entre ellas?
11. ¿Por qué los cúmulos estelares son tan útiles para los astrónomos que quieren estudiar la evolución de las estrellas
12. ¿El Sol probablemente habría sido miembro de un cúmulo globular o cúmulo abierto en el pasado?
13. Supongamos que se le entregaron dos diagramas H-R para dos cúmulos diferentes: el diagrama A tiene la mayoría de sus estrellas trazadas en la parte superior izquierda de la secuencia principal con el resto de las estrellas fuera de la secuencia principal; y el diagrama B tiene la mayoría de sus estrellas trazadas en la parte inferior derecha de la secuencia principal con el resto de las estrellas de la secuencia principal. ¿Qué diagrama sería para el clúster más antiguo? ¿Por qué?
14. Refiriéndose a los diagramas H-R del ejercicio anterior, ¿qué diagrama probablemente sería el diagrama H-R para una asociación?
15. El proceso nuclear para fusionar helio en carbono a menudo se llama el “proceso triple alfa”. ¿Por qué se llama como tal, y por qué debe ocurrir a una temperatura mucho más alta que el proceso nuclear para fusionar hidrógeno en helio?
16. Las imágenes de varias nebulosas planetarias muestran una variedad de formas, pero los astrónomos creen que la mayoría de las nebulosas planetarias tienen la misma forma básica. ¿Cómo se puede explicar esta paradoja?
17. Describir los dos mecanismos de “reciclaje” que están asociados con las estrellas (uno durante la vida de cada estrella y el otro conectando generaciones de estrellas).
18. ¿En cuál de estos grupos estelares probablemente encontrarías la menor abundancia de elementos pesados para las estrellas dentro de ellos: cúmulos abiertos, cúmulos globulares o asociaciones?
19. Explique cómo se puede utilizar un diagrama H-R de las estrellas en un cúmulo para determinar la edad del cúmulo.
20. ¿De dónde provienen originalmente los átomos de carbono en el tronco de un árbol en tu campus universitario? ¿De dónde vino originalmente el neón en las míticas “luces de neón de Broadway”?
21. ¿Qué es una nebulosa planetaria? ¿Tendremos uno alrededor del Sol?

Preguntas de Pensamiento

1. ¿El Sol está en la secuencia principal de la era cero? Explica tu respuesta.
2. ¿Cómo son comparables las nebulosas planetarias a una bombilla fluorescente en tu salón de clases?
3. ¿Cuáles de los planetas de nuestro sistema solar tienen órbitas que son más pequeñas que el radio fotoesférico de Betelgeuse enumerado en la Tabla\(22.1.2\) en la Sección 22.1?
4. ¿Esperarías encontrar un planeta terrenal (con una superficie sólida) alrededor de una estrella de muy baja masa que se formó justo al comienzo de la vida de un cúmulo globular? Explique.
5. En los diagramas H-R para algunos cúmulos jóvenes, las estrellas de luminosidad muy baja y muy alta se encuentran a la derecha de la secuencia principal, mientras que las de luminosidad intermedia están en la secuencia principal. ¿Puedes ofrecer una explicación para eso? Esboce un diagrama H — R para dicho clúster.
6. Si el Sol fuera miembro del cúmulo NGC 2264, ¿estaría todavía en la secuencia principal? ¿Por qué o por qué no?
7. Si todas las estrellas de un cúmulo tienen casi la misma edad, ¿por qué los cúmulos son útiles para estudiar los efectos evolutivos (diferentes etapas en la vida de las estrellas)?
8. Supongamos que un cúmulo estelar se encontraba a una distancia tan grande que aparecía como un punto de luz no resuelto a través del telescopio. ¿Cuál esperarías que fuera el color general de la mancha si fuera la imagen del cúmulo inmediatamente después de que se formó? ¿En qué se diferenciaría el color después de ^{10 10} años? ¿Por qué?
9. Supongamos que un astrónomo conocido por bromear te dijera que había encontrado una estrella de secuencia principal tipo O en nuestra Galaxia de la Vía Láctea que no contenía elementos más pesados que el helio. ¿Le creería? ¿Por qué?
10. Las estrellas que tienen masas aproximadamente 0.8 veces la masa del Sol tardan alrededor de 18 mil millones de años en convertirse en gigantes rojos. ¿Cómo se compara esto con la era actual del universo? ¿Esperarías encontrar un cúmulo globular con un desvío de secuencia principal para estrellas de 0.8 masa solar o menos? ¿Por qué o por qué no?
11. Los automóviles a menudo se utilizan como analogía para ayudar a las personas a comprender mejor cómo las estrellas más masivas tienen vidas de secuencia principal mucho más cortas en comparación con las estrellas menos masivas. ¿Puede explicar tal analogía usando automóviles?

Calcular por ti mismo

1. El texto dice que una estrella no cambia mucho su masa durante el transcurso de su vida de secuencia principal. Mientras está en la secuencia principal, una estrella convierte alrededor del 10% del hidrógeno inicialmente presente en helio (recuerde que es solo el núcleo de la estrella el que está lo suficientemente caliente para la fusión). Mire en capítulos anteriores para averiguar qué porcentaje de la masa de hidrógeno involucrada en la fusión se pierde porque se convierte en energía. ¿Por cuánto cambia la masa de toda la estrella como resultado de la fusión? ¿Estábamos en lo cierto al decir que la masa de una estrella no cambia significativamente mientras está en la secuencia principal?
2. El texto explica que las estrellas masivas tienen vidas más cortas que las estrellas de baja masa. A pesar de que las estrellas masivas tienen más combustible para quemar, lo usan más rápido que las estrellas de baja masa. Se puede comprobar y ver si esta afirmación es cierta. La vida útil de una estrella es directamente proporcional a la cantidad de masa (combustible) que contiene e inversamente proporcional a la velocidad a la que consume ese combustible (es decir, a su luminosidad). Dado que la vida del Sol es de aproximadamente ^{10 10} años, tenemos la siguiente relación:\[T=10^{10} \frac{M}{L} \text{ y} \] dónde\(T\) está la vida útil de una estrella de secuencia principal,\(M\) su masa se mide en términos de la masa del Sol, y\(L\) es su luminosidad medida en términos de la luminosidad del Sol.
   1. Explique en palabras por qué funciona esta ecuación.
   2. Utilice los datos de la Tabla\(18.4.2\) en la Sección 18.4 para calcular las edades de las estrellas de secuencia principal enumeradas.
   3. ¿Las estrellas de baja masa tienen vidas de secuencia principal más largas?
   4. ¿Obtienes las mismas respuestas que las de la Tabla\(22.1.1\) en la Sección 22.1?
3. Puede usar Ecuación\(\PageIndex{1}\) en el ejercicio anterior para estimar las edades aproximadas de los conglomerados en Figura\(22.3.3\)\(22.3.5\), Figura y Figura\(22.3.6\), todo en la Sección 22.3. Utilice la información de las figuras para determinar la luminosidad de la estrella más masiva aún en la secuencia principal. Ahora usa los datos de la Tabla\(18.4.2\) en la Sección 18.4 para estimar la masa de esta estrella. Después calcula la edad del cúmulo. Este método es similar al procedimiento utilizado por los astrónomos para obtener las edades de los racimos, excepto que utilizan datos reales y cálculos de modelos en lugar de simplemente hacer estimaciones a partir de un dibujo. ¿Cómo se comparan tus edades con las edades del texto?
4. Se puede estimar la edad de la nebulosa planetaria en la imagen (c) en la Figura\(22.4.3\) en la Sección 22.4. El diámetro de la nebulosa es 600 veces el diámetro de nuestro propio sistema solar, o alrededor de 0.8 años luz. El gas se está expandiendo lejos de la estrella a una velocidad de aproximadamente 25 mi/s Considerando que distancia = velocidad × tiempo, calcula cuánto tiempo hace que el gas dejó la estrella si su velocidad ha sido constante todo el tiempo. Asegúrese de usar unidades consistentes para el tiempo, la velocidad y la distancia.
5. Si la estrella A tiene una temperatura\(T\) central y la estrella B tiene una temperatura central\(3T\), ¿cómo se compara la tasa de fusión de la estrella A con la tasa de fusión de la estrella B?