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<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 3 - <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> Tecnologías - MEC<br />
<strong>Unidad</strong> didáctica 3:<br />
Estrellas variables<br />
Situación <strong>de</strong> las variables pulsantes en el diagrama H-R<br />
file:///F|/antares/modulo5/m5_u300.html [12/3/2000 18.28.43]
<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 3-01- <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> tecnologías - MEC -<br />
3.1. Introducción<br />
Una estrella no es inmutable. A lo largo <strong>de</strong> su vida, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> su nacimiento como<br />
protoestrella hasta su muerte, sus características observacionales, color, tipo<br />
espectral y brillo o luminosidad, experimentan cambios en el curso <strong>de</strong> largos<br />
períodos que superan, en la mayoría <strong>de</strong> los casos, el millón <strong>de</strong> años y son por<br />
tanto inobservables. Pero hay una clase <strong>de</strong> estrellas, <strong>de</strong>nominadas variables,<br />
que sufren también modificaciones <strong>de</strong> su brillo en intervalos más breves <strong>de</strong><br />
tiempo y que son, por ello, fácilmente mensurables en el rango visible. Este<br />
fenómeno pue<strong>de</strong> ser <strong>de</strong>bido a causas acci<strong>de</strong>ntales, por ejemplo geométricas,<br />
como suce<strong>de</strong> en las binarias eclipsantes, o bien intrínsecas, producidas en<br />
respuesta a alteraciones físicas ocurridas en la propia estrella. Sólo en este<br />
último caso el objeto se consi<strong>de</strong>ra variable.<br />
Estos cambios <strong>de</strong> brillo en las estrellas fueron observados ya al final <strong>de</strong>l siglo<br />
XVI cuando Tycho Brahe observó la supernova <strong>de</strong> 1572 y la estrella Mira fue<br />
observada en 1596. Actualmente los catálogos contienen <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> 30 000<br />
estrellas conocidas como variables.<br />
Las variaciones <strong>de</strong> magnitud se mi<strong>de</strong>n respecto a estrellas <strong>de</strong> referencia<br />
próximas y su representación frente al tiempo da lugar a la llamada curva <strong>de</strong><br />
luz, <strong>de</strong> ésta se obtiene la amplitud <strong>de</strong> las variaciones <strong>de</strong> magnitud y el período,<br />
si las variaciones son periódicas.<br />
Muchas estrellas variables han sido estudiadas visual y fotográficamente, en<br />
la primera mitad <strong>de</strong> este siglo, por astrónomos profesionales, pero hoy día<br />
una gran cantidad <strong>de</strong> estas observaciones las realizan astrónomos<br />
aficionados. La Asociación Americana <strong>de</strong> Observadores <strong>de</strong> Estrellas Variables<br />
(AAVSO, 187 Concord Avenue, Cambridge, Massachusettts, 02138) coordina<br />
esta actividad y sus miembros observan las magnitu<strong>de</strong>s comparando las<br />
estrellas con otras <strong>de</strong> magnitud constante y conocida.<br />
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<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 3-02- <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> tecnologías - MEC -<br />
3.2. Clasificación<br />
Se ha adoptado un sistema para nombrar a las estrellas variables que ayuda a<br />
reconocerlas en cualquier lista o catálogo <strong>de</strong> estrellas. La primera variable<br />
<strong>de</strong>scubierta en una constelación se <strong>de</strong>nomina R, seguida <strong>de</strong>l genitivo <strong>de</strong>l<br />
nombre latino <strong>de</strong> la constelación, por ejemplo: R Coronae Borealis. Se<br />
continua con las letras S, T, U, V, W, X, Y, Z, <strong>de</strong>spués RR, RS, etc., hasta RZ, a<br />
continuación SS hasta SZ, y así hasta ZZ. Entonces se empieza con AA hasta<br />
AZ, BB y se continua hasta QZ. La letra J se omite para evitar confusiones con<br />
I. Este sistema cubre las primeras 334 variables sí aparecen más en esa<br />
constelación se las <strong>de</strong>nomina con V (por variable) seguida <strong>de</strong>l número 335<br />
(V335) y así sucesivamente. De todas formas hay variables que tienen<br />
nombres conocidos, como la Polar y δ Cefeo (nombre usual <strong>de</strong> estrellas<br />
conocidas: letra griega seguida <strong>de</strong>l genitivo latino <strong>de</strong> la constelación, otras<br />
tienen nombre propio Arturo, Al<strong>de</strong>baran, Mira, y finalmente el número <strong>de</strong> un<br />
catálogo HD 2064) , que mantienen sus nombres a pesar <strong>de</strong>l nuevo sistema <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>nominación.<br />
La clasificación <strong>de</strong> las variables se basa en la forma <strong>de</strong> la curva <strong>de</strong> luz, en la<br />
clase espectral y en los movimientos radiales observados. Sí se hacen<br />
observaciones en un rango distinto al óptico, hay variables <strong>de</strong> radio-emisión y<br />
variables <strong>de</strong> rayos X.<br />
Las variables se divi<strong>de</strong>n en pulsantes y eruptivas. En las pulsantes las<br />
variaciones son <strong>de</strong>bidas a la expansión y contracción <strong>de</strong> las capas exteriores,<br />
suelen ser estrellas gigantes y supergigantes que han alcanzado un estado<br />
inestable en su evolución. Las variables eruptivas son generalmente estrellas<br />
que eyectan masa y suelen ser miembros <strong>de</strong> sistemas binarios muy próximos<br />
entre sí en los que se transfiere masa <strong>de</strong> una componente a la otra o como en<br />
el caso <strong>de</strong> las supernovas una tremenda explosión que indica el final <strong>de</strong> la<br />
vida <strong>de</strong> la estrella.<br />
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<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 3-03- <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> tecnologías - MEC -<br />
3.3. Variables pulsantes<br />
Figura 5-3-1: Situación <strong>de</strong> las variables pulsantes en el diagrama H-R. Las variables más<br />
frecuentes se encuentran en una banda estrecha, llamada zona <strong>de</strong> inestabilidad, situada<br />
diagonalmente a través <strong>de</strong>l diagrama H-R.<br />
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Las estrellas pulsantes, que no <strong>de</strong>ben confundirse con los pulsares que están<br />
rotando no pulsando, se reconocen por sus cambios periódicos <strong>de</strong> brillo<br />
acompañados <strong>de</strong> variaciones periódicas <strong>de</strong> su velocidad radial. Se distinguen<br />
varias clases <strong>de</strong> estrellas pulsantes, las más frecuentes son las estrellas<br />
Cefeidas, que <strong>de</strong>ben su nombre a la típica δ Cephei, tienen variaciones <strong>de</strong><br />
magnitud con períodos <strong>de</strong> unos pocos días a unas pocas semanas. Otro tipo<br />
<strong>de</strong> pulsantes son las RR Lyrae que varían con períodos <strong>de</strong> medio día. También<br />
son pulsantes <strong>de</strong> corto período las δ Scuti que pertenecen a la Población I<br />
como las Cefeidas, pero estas son <strong>de</strong> tipos espectrales F y G supergigantes,<br />
mientras que las δ Scuti son tipo A y clase <strong>de</strong> luminosidad IV a V. La amplitud<br />
<strong>de</strong> las variaciones es <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> 1 magnitud para las Cefeidas, mientras que<br />
en las δ Scuti es tan pequeña que son difíciles <strong>de</strong> <strong>de</strong>tectar.<br />
Figura 5-3-2: Curva <strong>de</strong> luz (arriba) y <strong>de</strong> velocidad radial (abajo) <strong>de</strong> la estrella δ Cephei.<br />
Obsérvese como una curva es la imagen especular <strong>de</strong> la otra.<br />
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Las RR Lyrae se encuentran en los cúmulos globulares por ello pertenecen a<br />
la Población II, sus amplitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> variación son <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> una magnitud.<br />
La amplitud <strong>de</strong> la curva <strong>de</strong> velocidad radial <strong>de</strong> las Cefeidas es <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong><br />
varias <strong>de</strong>cenas <strong>de</strong> km s -1 . La <strong>de</strong> las RR Lyrae es algo menor. En la Figura 5-3-2<br />
se reproducen las curvas <strong>de</strong> luz y velocidad radial para la estrella prototipo δ<br />
Cephei.<br />
También existen estrellas análogas a las Cefeidas pero <strong>de</strong> la Población II<br />
llamadas W Virginis o Cefeidas <strong>de</strong> la Población II. Estas estrellas muestran<br />
máximos <strong>de</strong> luminosidad muy anchos (Figura 5-3-5).<br />
Otro grupo <strong>de</strong> variables intrínsecas son las variables <strong>de</strong> largo período (<strong>de</strong>l<br />
or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> varios años). Son gigantes rojas muy luminosas <strong>de</strong> tipo espectral M<br />
y sus variaciones <strong>de</strong> luz no son tan regulares como las anteriores. Con<br />
variaciones aún menos regulares están las estrellas RV Tau que en el<br />
diagrama H-R se sitúan entre las Cefeidas y las variables <strong>de</strong> largo período<br />
(Figura 5-3-1). Las variables más frecuentes se encuentran en una banda<br />
estrecha, llamada zona <strong>de</strong> inestabilidad, situada diagonalmente a través <strong>de</strong>l<br />
diagrama H-R, todas las estrellas <strong>de</strong> esta banda son pulsantes.<br />
La longitud <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> las líneas espectrales <strong>de</strong> las variables pulsantes<br />
también varía con los cambios <strong>de</strong> magnitud. Estas variaciones son <strong>de</strong>bidas al<br />
efecto Doppler y <strong>de</strong>muestran que las capas exteriores están oscilando, las<br />
velocida<strong>de</strong>s observadas están en el rango <strong>de</strong> 40 a 200 km/s.<br />
El diámetro <strong>de</strong> la estrella pue<strong>de</strong> duplicarse durante la pulsación, aunque<br />
generalmente los cambios son <strong>de</strong> menor tamaño. La causa principal <strong>de</strong> la<br />
variación <strong>de</strong> luminosidad es la variación periódica <strong>de</strong> la temperatura<br />
superficial, ya que la luminosidad <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la cuarta potencia <strong>de</strong> la<br />
temperatura efectiva, L ∝ T ef 4 , así un pequeño cambio en la Tef conduce a una<br />
gran variación <strong>de</strong> magnitud.<br />
Las oscilaciones <strong>de</strong> una estrella pulsante son el resultado <strong>de</strong> ondas sonoras o<br />
acústicas que resuenan en el interior estelar. Estas ondas, implicadas en los<br />
modos radiales <strong>de</strong> pulsación estelar, son esencialmente ondas estacionarias<br />
similares a las que ocurren en el tubo <strong>de</strong> un órgano que está abierto en uno <strong>de</strong><br />
sus extremos. La estrella y el tubo <strong>de</strong>l órgano pue<strong>de</strong>n sustentar varios modos<br />
<strong>de</strong> oscilación. La onda estacionaria, para cada modo, tiene un nodo al final ( el<br />
centro <strong>de</strong> la estrella) don<strong>de</strong> los gases no se mueven y un antinodo al otro<br />
extremo ( superficie <strong>de</strong> la estrella). En el modo fundamental los gases se<br />
mueven en la misma dirección en cada punto <strong>de</strong> la estrella. Sí hay un sólo<br />
nodo entre el centro y la superficie, es el llamado primer armónico, con los<br />
gases moviéndose en direcciones opuestas a ambos lados <strong>de</strong>l nodo y para el<br />
segundo armónico hay dos nodos. Para los modos radiales el movimiento <strong>de</strong>l<br />
material estelar ocurre principalmente en las regiones superficiales.<br />
La mayoría <strong>de</strong> las Cefeidas clásicas y W Virginis pulsan en el modo<br />
fundamental. Las RR Lyrae pulsan en el fundamental o en el primer armónico.<br />
Las variables <strong>de</strong> largo período como las Mira probablemente pulsan también<br />
en el modo fundamental, aunque esto ha sido sujeto <strong>de</strong> consi<strong>de</strong>rable <strong>de</strong>bate.<br />
Alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 1920, Eddington <strong>de</strong>mostró que el período <strong>de</strong> pulsación P es<br />
inversamente proporcional a la raíz cuadrada <strong>de</strong> la <strong>de</strong>nsidad media,<br />
P ∝ ρ -1/2<br />
es la llamada relación período-<strong>de</strong>nsidad, que explica porque el período <strong>de</strong><br />
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pulsación disminuye, conforme nos movemos hacia abajo en la banda <strong>de</strong><br />
inestabilidad <strong>de</strong>l diagrama H-R, al ir <strong>de</strong> las tenues supergigantes hasta las<br />
muy <strong>de</strong>nsas enanas blancas.<br />
Normalmente una estrella mantiene un equilibrio entre la presión <strong>de</strong>l gas y el<br />
empuje <strong>de</strong> la gravedad. Sí por alguna causa, posiblemente evolutiva, sus<br />
capas exteriores se expan<strong>de</strong>n la <strong>de</strong>nsidad y temperatura disminuyen,<br />
entonces la presión <strong>de</strong>l gas se hace más pequeña y las fuerzas <strong>de</strong> gravedad<br />
comprimen el gas. Esta compresión hará aumentar la temperatura y la<br />
<strong>de</strong>nsidad y en consecuencia la presión <strong>de</strong>l gas, dominará a la gravedad y la<br />
estrella se expan<strong>de</strong> <strong>de</strong> nuevo. Sin embargo, a menos que se transfiera energía<br />
al gas en movimiento, estas oscilaciones se irán amortiguando y en un tiempo<br />
relativamente corto se pararán. Como se observan muchas estrellas variables<br />
pulsantes esto quiere <strong>de</strong>cir que las oscilaciones duran mucho tiempo, por lo<br />
tanto <strong>de</strong>be <strong>de</strong> haber un mecanismo que suministra energía a la pulsación para<br />
que ésta se mantenga y no se amortigüe.<br />
El flujo <strong>de</strong> energía radiativo <strong>de</strong>l interior estelar podría suministrar energía a las<br />
oscilaciones sí éstas se produjeran en regiones profundas <strong>de</strong> alta <strong>de</strong>nsidad.<br />
Pero éste no es el caso, las oscilaciones ocurren en las capas más exteriores<br />
y menos <strong>de</strong>nsas. Sin embargo, en estas regiones existen las llamadas zonas<br />
<strong>de</strong> ionización parcial en las que el hidrógeno y el helio están parcialmente<br />
ionizados, en estas zonas la opacidad <strong>de</strong> la materia se hace mayor cuando el<br />
gas se comprime. Al aumentar la temperatura el hidrógeno y el helio se<br />
ionizan más y toda la energía se utiliza en esta ionización, aumentando la<br />
opacidad <strong>de</strong> la materia al disminuir el transporte <strong>de</strong> energía. Cuando ocurre la<br />
expansión el proceso es al contrario, disminuye la opacidad, el hidrógeno y el<br />
helio se recombinan y emiten la energía acumulada en la compresión. Luego<br />
estas zonas <strong>de</strong> ionización parcial sirven para almacenar energía y ce<strong>de</strong>rla<br />
manteniendo las oscilaciones, pero es necesario que su localización en la<br />
estrella sea la a<strong>de</strong>cuada, es <strong>de</strong>cir, no pue<strong>de</strong>n ser muy profundas porque la<br />
pulsación no llega hasta allí, ni muy exteriores porque no contiene masa<br />
suficiente para suministrar la energía necesaria par mantener la pulsación.<br />
Por ello no todas las estrellas pulsan, sino sólo aquellas que tienen las capas<br />
<strong>de</strong> ionización parcial a una profundidad a<strong>de</strong>cuada y esto explicaría porque la<br />
pulsación estelar se observa sólo en una <strong>de</strong> cada cien mil estrellas.<br />
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<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 3-04- <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> tecnologías - MEC -<br />
3.4. Las Cefeidas (δ Cephei)<br />
Figura 5-3-2: Curva <strong>de</strong> luz (arriba) y <strong>de</strong> velocidad radial (abajo) <strong>de</strong> la estrella δ Cephei.<br />
Obsérvese como una curva es la imagen especular <strong>de</strong> la otra.<br />
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<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 3-04- <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> tecnologías - MEC -<br />
La variación <strong>de</strong> la velocidad radial que da lugar a la curva <strong>de</strong> velocidad radial<br />
indica que la superficie se mueve hacia fuera cuando aumenta la luminosidad<br />
(disminuye la magnitud) y que cae hacia <strong>de</strong>ntro cuando se ve un mínimo <strong>de</strong><br />
luz.<br />
Se pue<strong>de</strong> medir directamente el cambio en el radio Δ R(t) calculando<br />
dR/dt = v y Δ R(t) =<br />
También po<strong>de</strong>mos calcular el radio sí comparamos dos fases <strong>de</strong> igual<br />
temperatura, la diferencia en magnitud bolométrica viene dada por<br />
Δ m bol = -2.5 log L(t 1 ) / L(t 2 ) = m bol (t 1 ) - m bol (t 2 )<br />
y m bol(t 1) - m bol(t 2) = -2.5 log R 2 (t 1) / R 2 (t 2) = 5 log R(t 1) / R(t 2)<br />
El Δ m bol se pue<strong>de</strong> medir ya que Δ m bol = Δ m v, para la misma temperatura<br />
la corrección bolométrica es casi la misma. Con esta ecuación y la anterior<br />
po<strong>de</strong>mos obtener R(t 1) / R(t 2), dado que<br />
Δ R = R(t 2) - R(t 1) =<br />
Estas estrellas cambian su radio <strong>de</strong>l 5 al 20% durante un ciclo ( días o<br />
semanas) y sus radios son <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> 50 a 100 R ⁄ . Las velocida<strong>de</strong>s son <strong>de</strong>l<br />
or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> 30 km/s, sí el período es 10 días (10 6 s) y se mueve hacia fuera<br />
durante la mitad <strong>de</strong>l tiempo a una velocidad media <strong>de</strong> 15 km s- -1 , se pue<strong>de</strong><br />
estimar Δ R<br />
Δ R = 1.5 x 10 6 . 5 x 10 5 cm = 7.5 x 10 11 cm = 10 R ⁄<br />
para un radio <strong>de</strong> 50 R ⁄ significa un cambio <strong>de</strong>l 20%.<br />
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<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 3-04- <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> tecnologías - MEC -<br />
Figura 5-3-3: Variaciones <strong>de</strong> magnitud, temperatura, tipo espectral, velocidad y radio en<br />
función <strong>de</strong>l período para δ Cephei.<br />
En la Figura 5-3-3 se reproducen las variaciones <strong>de</strong> magnitud, temperatura,<br />
tipo espectral, velocidad y radio en función <strong>de</strong>l período para δ Cephei.<br />
Se observa que la estrella tiene la T ef mayor durante el máximo <strong>de</strong> luz y la más<br />
pequeña durante el mínimo <strong>de</strong> luz. Esto significa que las variaciones <strong>de</strong><br />
magnitud observadas son <strong>de</strong>bidas principalmente a los cambios <strong>de</strong><br />
temperatura, en efecto, los radios estelares durante el máximo y mínimo <strong>de</strong><br />
luz son casi idénticos. La máxima velocidad radial hacia fuera también ocurre<br />
durante la fase <strong>de</strong> máxima temperatura, <strong>de</strong>spués esta velocidad disminuye<br />
lentamente y la materia cae hacia <strong>de</strong>ntro mientras la estrella se enfría.<br />
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<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 3-04- <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> tecnologías - MEC -<br />
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<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 3-05- <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> tecnologías - MEC -<br />
3.5. La relación periodo-luminosidad<br />
Las estrellas Cefeidas también son importantes porque ellas dan lugar a la<br />
llamada relación período-luminosidad que es un indicador <strong>de</strong> distancias muy<br />
importante. Ms Levitt estudiando las Cefeidas en La Gran Nube <strong>de</strong> Magallanes,<br />
la galaxia externa más próxima a la Vía Láctea, <strong>de</strong>scubrió que las Cefeidas<br />
más brillantes tenían períodos mayores. Cuando representó la luminosidad <strong>de</strong><br />
las Cefeidas en función <strong>de</strong> los períodos encontró una correlación muy buena.<br />
Como se pue<strong>de</strong> suponer que todas las Cefeidas <strong>de</strong> La Gran Nube <strong>de</strong><br />
Magallanes están a la misma distancia <strong>de</strong> nosotros, ya que el diámetro <strong>de</strong> la<br />
galaxia es mucho menor que su distancia a la Tierra. La relación encontrada<br />
período-magnitud aparente es una relación período-magnitud absoluta y por<br />
tanto una relación período-luminosidad que es intrínseca a las Cefeidas y que<br />
pue<strong>de</strong> usarse para todas ellas. Una vez calibrada esta relación, midiendo el<br />
período <strong>de</strong> una Cefeida obtenemos por la relación período-luminosidad su<br />
magnitud absoluta y observando la magnitud aparente, obtenemos la<br />
distancia. Como es relativamente fácil obtener los períodos <strong>de</strong> variación <strong>de</strong> la<br />
magnitud y también observar las magnitud visuales aparentes, tenemos un<br />
método importante para obtener distancias.<br />
La calibración <strong>de</strong> la relación período-luminosidad, requiere obtener la<br />
distancia por otro método, para ello se utilizan las Cefeidas que forman parte<br />
<strong>de</strong> cúmulos abiertos en nuestra Galaxia, ya que las distancias a estos<br />
cúmulos se pue<strong>de</strong> obtener por medio <strong>de</strong> la paralaje espectroscópica o por la<br />
superposición <strong>de</strong> las secuencias principales <strong>de</strong> los cúmulos.<br />
La relación período-luminosidad <strong>de</strong> las Cefeidas ha sido extremadamente<br />
importante para la <strong>de</strong>terminación <strong>de</strong> distancias a otras galaxias <strong>de</strong> nuestro<br />
grupo local <strong>de</strong> galaxias, <strong>de</strong>bido a que las Cefeidas son muy luminosas y<br />
pue<strong>de</strong>n resolverse en otras galaxias. Esta relación se pue<strong>de</strong> expresar como<br />
= cte log P<br />
don<strong>de</strong> es el valor medio <strong>de</strong> la magnitud visual absoluta; también suele<br />
expresarse en función <strong>de</strong>l índice <strong>de</strong> color intrínseco.<br />
file:///F|/antares/modulo5/m5_u305.html (1 <strong>de</strong> 2) [12/3/2000 18.28.46]
<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 3-05- <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> tecnologías - MEC -<br />
En la Figura 5-3-4 se muestra la relación período-luminosidad para Cefeidas<br />
<strong>de</strong> la población I <strong>de</strong>terminada por Sandage and Tammann (1969), Schmidt<br />
(1984) y Böhm-Vitense (1986) Hay una incertidumbre <strong>de</strong> 0.5 magnitud en la<br />
calibración absoluta al menos para las Cefeidas <strong>de</strong> largo período que son las<br />
más importantes, ya que <strong>de</strong>bido a su mayor luminosidad pue<strong>de</strong>n observarse a<br />
distancias mayores.<br />
¿ Por qué existe una relación período-luminosidad ? Intuitivamente parece<br />
plausible que las estrellas más luminosas que son las mas gran<strong>de</strong>s tar<strong>de</strong>n<br />
más en expandirse y contraerse que las menos luminosas y más pequeñas.<br />
Pero como hemos dicho más arriba, la pulsación es un fenómeno <strong>de</strong><br />
resonancia y estamos observando ondas que tienen una frecuencia <strong>de</strong><br />
resonancia y el período correspondiente es inversamente proporcional a la<br />
raíz cuadrada <strong>de</strong> la <strong>de</strong>nsidad media, P = const. ρ -1/2 , que explica la relación<br />
período-luminosidad observada. Cuanto mayor es la luminosidad, mayor<br />
radio, más pequeña es la <strong>de</strong>nsidad y por tanto mayor período.<br />
file:///F|/antares/modulo5/m5_u305.html (2 <strong>de</strong> 2) [12/3/2000 18.28.46]<br />
Figura 5-3-4:<br />
Relación<br />
período-luminosidad<br />
para Cefeidas <strong>de</strong> la<br />
población I<br />
<strong>de</strong>terminada por<br />
Sandage and<br />
Tammann (1969),<br />
Schmidt (1984) y<br />
Böhm-Vitense<br />
(1986).
<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 3-09- <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> tecnologías - MEC -<br />
3.9. Variables eruptivas o explosivas<br />
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Estrellas fulgurantes<br />
Estrellas T Tauri<br />
Novas y supernovas<br />
Novas<br />
Supernovas<br />
Origen <strong>de</strong> las supernovas<br />
Estas variables presentan rápidos y bruscos estallidos durante los cuales se<br />
eyecta material al espacio. La escala <strong>de</strong> los estallidos va <strong>de</strong> pequeñas<br />
erupciones locales (estrellas fulgurantes) a explosión <strong>de</strong> toda la estrella<br />
(supernovas).<br />
Estrellas fulgurantes<br />
También se <strong>de</strong>nominan estrellas UV Ceti, son enanas <strong>de</strong> tipo espectral M,<br />
jóvenes y frecuentemente se encuentran en cúmulos jóvenes o en<br />
asociaciones. A intervalos irregulares aparecen fulguraciones en la superficie<br />
<strong>de</strong> estas estrellas, similares a las fulguraciones solares, que están<br />
relacionadas con perturbaciones <strong>de</strong> los campos magnéticos superficiales. La<br />
energía <strong>de</strong> las fulguraciones es aparentemente <strong>de</strong>l mismo or<strong>de</strong>n que las<br />
fulguraciones solares, pero como estas estrellas son mucho más débiles que<br />
el Sol, una fulguración pue<strong>de</strong> producir un aumento <strong>de</strong>l brillo <strong>de</strong> 4 a 5<br />
magnitu<strong>de</strong>s. Este aumento dura unos pocos segundos y <strong>de</strong>spués disminuye<br />
en unos pocos minutos, la misma estrella pue<strong>de</strong> tener varias fulguraciones en<br />
un día. Las fulguraciones ópticas van acompañadas por estallidos en radio,<br />
como en el Sol, las estrellas fulgurantes fueron las primeras estrellas<br />
<strong>de</strong>tectadas como radio fuentes.<br />
Estrellas T Tauri<br />
file:///F|/antares/modulo5/m5_u309.html (1 <strong>de</strong> 10) [12/3/2000 18.28.47]
<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 3-09- <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> tecnologías - MEC -<br />
También <strong>de</strong>nominadas variables nebulares, aparecen conectadas con nubes<br />
interestelares oscuras o brillantes. Estas estrellas son presecuencia principal:<br />
están contrayéndose hacia la secuencia principal. Las variaciones <strong>de</strong><br />
magnitud son irregulares y su espectro contiene líneas <strong>de</strong> emisión formadas<br />
en la cromosfera y líneas prohibidas que sólo pue<strong>de</strong>n haberse formado en<br />
<strong>de</strong>nsida<strong>de</strong>s extremadamente pequeñas, posiblemente en la nube <strong>de</strong> la que se<br />
han originado. Las líneas espectrales muestran que escapa materia <strong>de</strong> la<br />
estrella.<br />
Como las estrellas T Tauri están situadas <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> nubes <strong>de</strong>nsas <strong>de</strong> gas son<br />
difíciles <strong>de</strong> observar, sin embargo esta situación ha mejorado con el<br />
<strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> las técnicas infrarroja y radio.<br />
Novas y supernovas<br />
Ya en la antigüedad los astrónomos habían notado que a veces nuevas<br />
estrellas se hacían visibles en el cielo y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> un cierto tiempo volvían a<br />
<strong>de</strong>saparecer. En la Edad Media los astrónomos llamaron a esas estrellas<br />
novas que en latín significa estrella nueva. Alguna <strong>de</strong> estas nuevas estrellas<br />
fueron muy brillantes y se las llamó supernovas. Tres <strong>de</strong> estas supernovas<br />
fueron observadas en tiempos históricos: la supernova <strong>de</strong> Tycho Brahe en<br />
1572, la supernova <strong>de</strong> Kepler en 1604 y la supernova que observaron los<br />
astrónomos chinos en el año 1054, en este lugar hoy se observa la nebulosa<br />
<strong>de</strong>l Cangrejo en la constelación <strong>de</strong> Taurus, esta nebulosa se expan<strong>de</strong> a una<br />
velocidad <strong>de</strong> unos 1400 km/s, <strong>de</strong>mostrando que una gigantesca explosión<br />
ocurrió hace más <strong>de</strong> 900 años.<br />
¿Qué son pues las novas y supernovas? ¿Con que frecuencia ocurren? ¿Qué<br />
clase <strong>de</strong> objetos son sus progenitores? ¿Por qué ocurre una explosión<br />
gigantesca? ¿Qué distingue a las novas <strong>de</strong> las supernovas? Vamos a intentar<br />
respon<strong>de</strong>r a estas cuestiones. Ambas novas y supernovas son objetos que<br />
bruscamente aumentan su luminosidad en varios or<strong>de</strong>nes <strong>de</strong> magnitud.<br />
Normalmente no son visibles antes <strong>de</strong> la explosión.<br />
Novas<br />
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Figura 5-3-7: Representación esquematica <strong>de</strong> una nova. La estrella normal transfiere<br />
materia a la enana blanca formando un disco <strong>de</strong> acreción alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> ella.<br />
Se clasifican en varios subtipos: novas clásicas, novas recurrentes, novas<br />
enanas y variables <strong>de</strong> tipo nova. El estallido es muy rápido, en un día o dos<br />
alcanza el máximo <strong>de</strong> magnitud, que pue<strong>de</strong> ser entre 7 y 16 magnitu<strong>de</strong>s más<br />
brillante que la luminosidad normal. Este aumento es seguido <strong>de</strong> un <strong>de</strong>clive<br />
gradual que pue<strong>de</strong> durar <strong>de</strong> meses a años.<br />
En las novas recurrentes el aumento <strong>de</strong> brillo es inferior a 10 magnitu<strong>de</strong>s y en<br />
las novas enanas <strong>de</strong> 2 a 6 magnitu<strong>de</strong>s. Las novas enanas también son<br />
conocidas como U Geminorum o SS Cygni, en ambos tipos los estallidos o<br />
aumentos <strong>de</strong> luminosidad se repiten. Para las novas recurrentes el tiempo<br />
entre dos estallidos es <strong>de</strong> unas pocas décadas y para las novas enanas <strong>de</strong> 20<br />
- 600 días. El intervalo <strong>de</strong> tiempo <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la intensidad <strong>de</strong>l estallido:<br />
cuanto más intenso más tiempo hace falta para el siguiente estallido. Es<br />
posible que las novas clásicas obe<strong>de</strong>zcan la misma relación, pero como sus<br />
amplitu<strong>de</strong>s son muy gran<strong>de</strong>s el tiempo entre dos estallidos <strong>de</strong>bería ser <strong>de</strong><br />
miles a millones <strong>de</strong> años.<br />
También hay novas rápidas, lentas y mo<strong>de</strong>radas, según el tiempo que tardan<br />
en alcanzar el máximo <strong>de</strong> brillo. Muestran un espectro pre-máximo <strong>de</strong> tipo O,<br />
B o A pero no son estrellas <strong>de</strong> la secuencia principal, son objetos<br />
subluminosos. Su distancia pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>terminarse por las velocida<strong>de</strong>s radiales y<br />
la expansión <strong>de</strong> la nebulosa que resulta <strong>de</strong> la explosión. Conocida la distancia<br />
se pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>terminar la magnitud absoluta <strong>de</strong> la prenova y así sabemos que<br />
fue una estrella subluminosa, pero no lo suficientemente débil para que la luz<br />
sea sólo <strong>de</strong> una enana blanca, hay una adicional fuente <strong>de</strong> luz.<br />
Ya que la post y prenova son objetos azules, más brillantes que una enana<br />
blanca, <strong>de</strong>be <strong>de</strong> haber una adicional subluminosa fuente <strong>de</strong> luz azul, esto es,<br />
un disco <strong>de</strong> material caliente. A<strong>de</strong>más, como la nova es un sistema binario ,<br />
<strong>de</strong>be estar presente la estrella compañera que ha sido vista en algunos casos,<br />
cuando es una subgigante, en otros casos es <strong>de</strong>masiado débil para verla y<br />
<strong>de</strong>be ser una estrella fría <strong>de</strong> la secuencia principal.<br />
Como es hemos <strong>de</strong>scrito en el módulo 5, unidad 2, sí una enana blanca forma<br />
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parte <strong>de</strong> un sistema binario y el compañero llena o sobrepasa su lóbulo <strong>de</strong><br />
Roche, pue<strong>de</strong> recibir materia, principalmente hidrógeno y helio, <strong>de</strong> su<br />
compañero. Conforme el gas se acumula en la superficie <strong>de</strong> la enana blanca,<br />
se va haciendo más <strong>de</strong>nso y más caliente. Cuando alcanza la temperatura <strong>de</strong><br />
10 7 K, el hidrógeno empieza a fusionarse rápidamente dando helio. Esta<br />
reacción nuclear es tan breve como violenta, similar a una explosión nuclear.<br />
La estrella súbitamente aumenta su luminosidad y expulsa al espacio el<br />
combustible que no ha sido consumido. El origen <strong>de</strong> la explosión <strong>de</strong> nova<br />
sería, pues, las reacciones nucleares en régimen explosivo en la capa <strong>de</strong><br />
hidrógeno acretada y la subsecuente expansión.<br />
La explosión no <strong>de</strong>tiene la transferencia <strong>de</strong> masa <strong>de</strong> la compañera y<br />
gradualmente la enana blanca acreta nueva materia para la próxima explosión.<br />
Se pue<strong>de</strong>n observar líneas <strong>de</strong> absorción y emisión, proce<strong>de</strong>ntes <strong>de</strong> la<br />
envoltura gaseosa en expansión, en el espectro <strong>de</strong> una nova. Los<br />
<strong>de</strong>splazamientos Doppler indican una velocidad <strong>de</strong> expansión <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong><br />
1000 km/s. Cuando la envoltura se dispersa, el espectro se hace similar al <strong>de</strong><br />
una típica nebulosa <strong>de</strong> emisión difusa. La envoltura en expansión alre<strong>de</strong>dor<br />
<strong>de</strong> la nova pue<strong>de</strong> verse directamente en fotografías.<br />
Es difícil estimar el número <strong>de</strong> novas en nuestra galaxia ya que una<br />
consi<strong>de</strong>rable fracción no se ven ocultadas por las nubes interestelares. En la<br />
galaxia Andromeda las observaciones indican <strong>de</strong> 25 a 30 explosiones <strong>de</strong> nova<br />
por año. El número <strong>de</strong> novas enanas es mayor. A<strong>de</strong>más hay variables <strong>de</strong> tipo<br />
nova, que tienen muchas propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> las novas, tales como líneas <strong>de</strong><br />
emisión <strong>de</strong> gas circunestelar y rápidas variaciones <strong>de</strong> luminosidad. Estas<br />
variables son binarias muy próximas entre sí con transferencia <strong>de</strong> masa pero<br />
no tienen explosiones <strong>de</strong> nova.<br />
Supernovas<br />
Las supernovas son objetos que aumentan rápida y bruscamente su emisión<br />
en muchos or<strong>de</strong>nes <strong>de</strong> magnitud. Generalmente antes <strong>de</strong> la explosión no son<br />
visibles y por ello no sabemos directamente que tipo <strong>de</strong> objetos son los<br />
progenitores, hay una excepción la supernova que fue <strong>de</strong>scubierta en la Gran<br />
Nube <strong>de</strong> Magallanes el 23 <strong>de</strong> Febrero <strong>de</strong> 1987, en este caso el progenitor había<br />
sido observado antes y clasificado como una supergigante azul, B3 Ib. Esta<br />
supernova fue inusual no sólo porque intrínsecamente fue mucho más débil<br />
que otras, sino también porque su curva <strong>de</strong> luz fue muy diferente a la <strong>de</strong> otras<br />
supernovas conocidas, que probablemente tuvieron diferentes progenitores.<br />
De las supernovas históricas la registrada por los astrónomos chinos, que ha<br />
<strong>de</strong>jado como resto la Nebulosa <strong>de</strong>l Cangrejo, alcanzó una magnitud aparente<br />
visual <strong>de</strong> -5, lo que significa que fue visible durante el día. La supernova <strong>de</strong><br />
Tycho en el máximo tuvo una magnitud <strong>de</strong> -4 y la <strong>de</strong> Kepler -3. El brillo <strong>de</strong> las<br />
supernovas disminuye exponencialmente con el tiempo y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> un año<br />
o dos se hace invisible.<br />
Origen <strong>de</strong> las supernovas<br />
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Las supernovas se divi<strong>de</strong>n en dos grupos principales, supernovas <strong>de</strong> tipo I y<br />
<strong>de</strong> tipo II. Las supernovas <strong>de</strong> tipo I no tienen líneas <strong>de</strong> hidrógeno esta<br />
ausencia indica que la estrella ha perdido su envoltura <strong>de</strong> hidrógeno. Las<br />
supernovas <strong>de</strong> tipo I se observan en todas las galaxias, incluidas las elípticas<br />
que no tienen prácticamente materia interestelar (ver módulo 7, unidad 2) y<br />
por tanto formación <strong>de</strong> estrellas, sus estrellas se crearon hace mucho tiempo,<br />
la población constituyente son, pues, estrellas viejas.<br />
Las supernovas <strong>de</strong> tipo II, que contienen hidrógeno, ocurren en los brazos<br />
espirales <strong>de</strong> las galaxias espirales y en las galaxias irregulares, no se dan en<br />
las elípticas, esto sugiere que los progenitores sean estrellas jóvenes y<br />
masivas, es <strong>de</strong>cir, <strong>de</strong> la Población I. Mientras que para las supernovas <strong>de</strong> tipo<br />
I los progenitores serían estrellas viejas y poco masivas <strong>de</strong> la Población II.<br />
Este diferente progenitor para los dos tipos sugiere también mecanismos<br />
distintos para el fenómeno <strong>de</strong> supernova. Vamos a recordar la explosión <strong>de</strong><br />
supernova <strong>de</strong> tipo II cuyo mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> explosión está aceptado por todos los<br />
astrónomos (ver módulo 3, unidad 2).<br />
La supernova <strong>de</strong> tipo II es el final <strong>de</strong> la vida <strong>de</strong> las estrellas masivas, como ya<br />
hemos visto en el módulo 3, unidad 2, se produce una implosión-explosión <strong>de</strong>l<br />
núcleo dando lugar <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la explosión a una estrella <strong>de</strong> neutrones o un<br />
agujero negro. La materia expulsada en la explosión, la envoltura exterior al<br />
núcleo, está constituida principalmente por el hidrógeno y helio no<br />
consumido y por ello se observan en su espectro. La curva <strong>de</strong> luz es la<br />
esperada <strong>de</strong> la expansión y enfriamiento <strong>de</strong> la materia eyectada.<br />
Para las supernovas <strong>de</strong> tipo I el mejor acuerdo entre la teoría y los espectros<br />
observados se obtienen mo<strong>de</strong>lando la explosión <strong>de</strong> la siguiente manera: un<br />
sistema binario constituido por una enana blanca y una estrella normal que<br />
llene su lóbulo <strong>de</strong> Roche, sistema binario semiseparado, la enana blanca <strong>de</strong><br />
carbono-oxígeno acreta materia <strong>de</strong> su compañera (ver módulo 5 , unidad 2).<br />
Este escenario es consistente con la falta <strong>de</strong> HI, ya que la enana blanca lo ha<br />
perdido (posiblemente en su fase <strong>de</strong> Nebulosa planetaria) y con su presencia<br />
en las galaxias elípticas don<strong>de</strong> las estrellas son viejas, así como, con la<br />
ausencia <strong>de</strong> asociación a regiones <strong>de</strong> formación estelar.<br />
Sí la enana blanca, que forma parte <strong>de</strong> un sistema binario, acreta masa <strong>de</strong>l<br />
compañero y exce<strong>de</strong> el límite <strong>de</strong> Chandrasekhar, 1.4 M ⁄ , la presión <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>generación es incapaz <strong>de</strong> contrarrestar a la gravedad y la estrella empieza a<br />
colapsarse. Su temperatura interna aumenta rápidamente hasta el punto en<br />
que el carbono, su principal constituyente, empieza a fusionarse en elementos<br />
más pesados. La fusión <strong>de</strong>l carbono se inicia casi simultáneamente en toda la<br />
enana blanca y la estrella explota como supernova <strong>de</strong> tipo I o supernova <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>tonación <strong>de</strong> carbono. Esta <strong>de</strong>tonación es igual <strong>de</strong> violenta que la supernova<br />
<strong>de</strong> tipo II, pero por una causa diferente. La energía generada en el proceso es<br />
suficiente para <strong>de</strong>struir totalmente a la estrella que explota como supernova<br />
<strong>de</strong> tipo I. En otros mo<strong>de</strong>los la estrella no se <strong>de</strong>struye en la explosión, sino que<br />
da lugar a una estrella <strong>de</strong> neutrones <strong>de</strong> 0.4 a 0.6 M ⁄ .<br />
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Figura 5-3-8:<br />
Descripción <strong>de</strong>l<br />
mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> explosión<br />
<strong>de</strong> supernova <strong>de</strong> tipo<br />
I, constituido por una<br />
estrella normal que<br />
transfiere masa a una<br />
enana blanca que<br />
llega a sobrepasar el<br />
límite <strong>de</strong> masa <strong>de</strong><br />
Chandrasekhar.
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En la Figura 5-3-8 se <strong>de</strong>scribe este mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> supernova.<br />
a) ambas componentes en la secuencia principal<br />
b) empieza la transferencia <strong>de</strong> masa <strong>de</strong> la estrella que llena su<br />
lóbulo <strong>de</strong> Roche hacia la menos masiva.<br />
c) una subgigante y la otra componente, ahora la más masiva,<br />
todavía en la secuencia principal.<br />
d) enana blanca y secuencia principal.<br />
e) transferencia <strong>de</strong> masa <strong>de</strong> la más masiva hacia la enana blanca.<br />
f) la enana blanca exce<strong>de</strong> la masa <strong>de</strong> Chandrasekhar y explota<br />
como supernova <strong>de</strong> tipo I.<br />
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Figura 5-3-9: Descripción <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> explosión <strong>de</strong> supernova <strong>de</strong> tipo I, constituido<br />
por dos enanas blancas.<br />
Para explicar la explosión <strong>de</strong> supernova <strong>de</strong> tipo I no hay un acuerdo sobre un<br />
único mo<strong>de</strong>lo, el explicado antes tiene sus críticas y algunos astrónomos se<br />
inclinan más por el mo<strong>de</strong>lo constituido por un sistema binario <strong>de</strong> dos enanas<br />
blancas. La radiación gravitacional o el viento estelar hace que pierda<br />
momento angular el sistema, aproximandose las dos estrellas. La menos<br />
masiva, que es la más gran<strong>de</strong>, llena su lóbulo <strong>de</strong> Roche y se disuelve en un<br />
disco que es acretado por la enana blanca más masiva, que sí supera la masa<br />
<strong>de</strong> Chandrasekhar dará lugar a la explosión <strong>de</strong> supernova <strong>de</strong> tipo I.<br />
En la Figura 5-3-9, se <strong>de</strong>scribe la evolución <strong>de</strong> las dos estrellas hasta llegar a<br />
ser dos enanas blancas, <strong>de</strong>spués la coalescencia <strong>de</strong> las dos en una enana<br />
blanca masiva y finalmente la explosión.<br />
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Figura 5-3-10: Curvas<br />
<strong>de</strong> luz <strong>de</strong> una<br />
supernova <strong>de</strong> tipo I y<br />
<strong>de</strong> tipo II. La<br />
supernova <strong>de</strong> tipo II<br />
tiene un <strong>de</strong>clive más<br />
gradual con una parte<br />
característica plana<br />
(plateau).
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Muchos astrónomos argumentan que las curvas <strong>de</strong> luz <strong>de</strong> las supernovas <strong>de</strong><br />
tipo I son tan similares unas a otras que pue<strong>de</strong>n utilizarse como indicadores<br />
<strong>de</strong> distancias (Figura 5-3-10). Teniendo en cuenta, que en el máximo <strong>de</strong> luz, la<br />
magnitud absoluta en el azul es M B = -19.6 ± 0.2, según Branch & Tammann<br />
(1992), para todas las supernovas <strong>de</strong> tipo I, midiendo la magnitud aparente<br />
obtendremos la distancia.<br />
Finalmente <strong>de</strong>cir que las estimaciones <strong>de</strong>l número <strong>de</strong> supernovas que<br />
aparecen en una galaxia como la nuestra son: tipo I ocurre cada 36 años y tipo<br />
II cada 44 años.<br />
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Cuestiones y problemas para autoevaluación<br />
●<br />
●<br />
Cuestiones<br />
Cuestiones<br />
Problemas<br />
1. ¿Cuál <strong>de</strong> las siguientes estrellas: RR Lyrae, Cefeida, T Tauri y enana blanca<br />
es intrínsecamente más luminosa?<br />
2. ¿Don<strong>de</strong> sería más probable encontrar una estrella RR Lyrae?<br />
3. ¿A qué se <strong>de</strong>be la variación <strong>de</strong> luminosidad <strong>de</strong> las estrellas W Virginis?<br />
4. ¿Qué es una estrella T Tauri?<br />
5. Si el periodo <strong>de</strong> una Cefeida típica es 10 días y él <strong>de</strong> una RR Lyrae es 0.5<br />
días. ¿Cuál es más <strong>de</strong>nsa?<br />
6. ¿Por qué se consi<strong>de</strong>ra a las Cefeidas indicadores <strong>de</strong> distancia?<br />
7. Supongamos que se utiliza una Cefeida clásica (tipo I) para calcular la<br />
distancia a una galaxia lejana y posteriormente se comprueba que la Cefeida<br />
era <strong>de</strong> tipo II. ¿Qué error se ha cometido en el cálculo <strong>de</strong> la distancia?<br />
8. Dadas las curvas <strong>de</strong> luz y velocidad radial ¿Cómo se pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>terminar sí<br />
pertenecen a sistema binario eclipsante o a una estrella variable pulsante?<br />
9. ¿Por qué unas estrellas pulsan y otras no lo hacen?<br />
Problemas<br />
1. El brillo <strong>de</strong> una cefeida varia 2 magnitu<strong>de</strong>s. Si la temperatura efectiva es<br />
6000 K en el máximo <strong>de</strong> luz y 5000 K en el mínimo. ¿Cuánto varía el radio?<br />
2. La envoltura que ro<strong>de</strong>a a la Nova Aquilae está expandiéndose a razón <strong>de</strong><br />
2"/año. La línea <strong>de</strong> absorción <strong>de</strong> hidrógeno 4861 Å perteneciente al espectro<br />
<strong>de</strong> la envoltura está <strong>de</strong>splazada 28 A hacia el azul. Deducir la paralaje <strong>de</strong> la<br />
nova.<br />
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Proyectos o activida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> observación<br />
1. Medida <strong>de</strong> la curva <strong>de</strong> luz y calcular el periodo <strong>de</strong> una estrella variable a<br />
partir <strong>de</strong> una serie <strong>de</strong> observaciones fotométricas realizadas en diferentes<br />
épocas <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el Observatorio Astronómico Virtual. La <strong>de</strong>scripción completa<br />
<strong>de</strong> esta práctica así como los procesos necesarios para su realización están<br />
explicados con <strong>de</strong>talle en el Apéndice. Por favor, antes <strong>de</strong> acce<strong>de</strong>r al<br />
Observatorio, consulte el manual <strong>de</strong> instrucciones.<br />
2. Con ayuda <strong>de</strong> un fotómetro acoplado a un telescopio ( real) <strong>de</strong> 20 cm<br />
observar las siguientes estrellas variables eclipsantes <strong>de</strong> corto periodo,<br />
establecer la curva <strong>de</strong> luz correspondiente y estimar su tipo espectral y<br />
temperatura a partir <strong>de</strong>l color observado.<br />
β Persei (Algol) es también una emisora débil <strong>de</strong> rayos X.<br />
SU Cas<br />
Coor<strong>de</strong>nadas: α = 03 h 08.2 m ; δ = 40º 57´<br />
Coor<strong>de</strong>nadas: α = 02 h 52 m ; δ = 68º 53´<br />
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3.8. Variables <strong>de</strong> largo periódo<br />
Las variables Mira (así llamadas por la estrella prototipo Mira Ceti) son<br />
supergigantes <strong>de</strong> tipo espectral M, normalmente con líneas <strong>de</strong> emisión en su<br />
espectro. Sus períodos son <strong>de</strong> 100 a 500 días por ello se <strong>de</strong>nominan <strong>de</strong> largo<br />
período. La amplitud <strong>de</strong> la variación es típicamente <strong>de</strong> unas 6 magnitu<strong>de</strong>s en<br />
el visual. La estrella Mira tiene un período <strong>de</strong> 330 días y su diámetro <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n<br />
<strong>de</strong> 2 ua. En su máximo brillo Mira tiene <strong>de</strong> 2 a 4 magnitu<strong>de</strong>s pero en el mínimo<br />
baja hasta la magnitud 12. Como tiene una T ef <strong>de</strong> unos 2000 K, el 95% <strong>de</strong> su<br />
radiación la emite en el infrarrojo, lo que significa que un pequeño cambio en<br />
la temperatura pue<strong>de</strong> producir un cambio muy gran<strong>de</strong> en la magnitud visual.<br />
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Soluciones<br />
●<br />
●<br />
Cuestiones<br />
Cuestiones<br />
Problemas<br />
1. ¿Cuál <strong>de</strong> las siguientes estrellas: RR Lyrae, Cefeida, T Tauri y enana blanca<br />
es intrínsecamente más luminosa?<br />
Cefeida.<br />
2. ¿Don<strong>de</strong> sería más probable encontrar una estrella RR Lyrae?<br />
En los cúmulos globulares.<br />
3. ¿A qué se <strong>de</strong>be la variación <strong>de</strong> luminosidad <strong>de</strong> las estrellas W Virginis?<br />
Pulsaciones.<br />
Problemas<br />
1. El brillo <strong>de</strong> una cefeida varia 2 magnitu<strong>de</strong>s. Si la temperatura efectiva es<br />
6000 K en el máximo <strong>de</strong> luz y 5000 K en el mínimo. ¿Cuánto varía el radio?<br />
R min / R max = 0.57<br />
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1.1. Introducción<br />
●<br />
●<br />
●<br />
Estrellas dobles<br />
Binaria visual<br />
Binaria espectroscópica<br />
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Figura 5-1-1: Órbita y espectro <strong>de</strong> una binaria espectroscópica. Cuando la estrella se<br />
mueve hacia nosotros sus líneas espectrales se <strong>de</strong>splazan hacia las cortas longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong><br />
onda, hacia el azul. Por el contrario si la estrella se aleja las líneas se <strong>de</strong>splazan hacia<br />
las gran<strong>de</strong>s longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> onda, hacia el rojo.<br />
Ya sabemos como calcular temperaturas, luminosida<strong>de</strong>s, distancias y en<br />
algunos casos tamaños <strong>de</strong> las estrellas. Para completar las propieda<strong>de</strong>s<br />
físicas <strong>de</strong> las estrellas es necesario conocer sus masas. Sin embargo, no hay<br />
una forma directa <strong>de</strong> medir las masas <strong>de</strong> una estrella aislada.<br />
Afortunadamente para los astrónomos casi la mitad <strong>de</strong> las estrellas visibles<br />
en el cielo no están aisladas sino que forman parte <strong>de</strong> sistemas múltiples <strong>de</strong><br />
estrellas en los que dos o más estrellas orbitan una alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> la otra, es<br />
<strong>de</strong>cir, están ligadas gravitacionalmente o físicamente. Observando el<br />
movimiento orbital se pue<strong>de</strong> obtener información sobre sus masas.<br />
Estrellas dobles<br />
Par <strong>de</strong> estrellas localizadas en la misma posición en el cielo s. Hay que hacer<br />
observaciones <strong>de</strong> ellas durante mucho tiempo para <strong>de</strong>terminar si orbita una<br />
alrre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> la otra. Si este fenómeno ocurre, <strong>de</strong>ben <strong>de</strong> estar suficientemente<br />
proximas en el espacio para que la fuerza gravitacional entre ellas sea intensa<br />
y pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>cirse entonces que son verda<strong>de</strong>ras estrellas binarias.<br />
Binaria visual y astrométrica<br />
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Si las dos estrellas aparecen separadas orbitando una alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> la otra, el<br />
par recibe el nombre <strong>de</strong> binaria visual, y el <strong>de</strong> binaria astrométrica cuando<br />
sólo se observa una estrella cuyo movimiento propio varía, indicando así la<br />
presencia <strong>de</strong> otra componente invisible.<br />
Binaria espectroscópica<br />
Recibe este nombre el sistema constituido por dos estrellas que estan muy<br />
próximas entre sí y no pue<strong>de</strong>n separarse con el telescopio pero analizando el<br />
espectro vemos que hay duplicidad <strong>de</strong> las líneas espectrales. Es <strong>de</strong>cir, una<br />
cierta característica espectral aparece simultáneamente en dos longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong><br />
onda diferentes. Este hecho revela que la estrella aparentemente única tiene<br />
dos componentes que se están moviendo con diferente velocidad relativa al<br />
observador. Durante un período <strong>de</strong> tiempo se observa que la posición relativa<br />
<strong>de</strong> las líneas espectrales cambia, implicando por efecto Doppler, que la<br />
velocidad <strong>de</strong> las estrellas varía. También pue<strong>de</strong> ocurrir que el espectro,<br />
aparentemente <strong>de</strong> una sola estrella, incluya líneas <strong>de</strong> hidrógeno (tipo A) y<br />
bandas <strong>de</strong> absorción <strong>de</strong> TiO (tipo M) muy intensas. Una única estrella no<br />
pue<strong>de</strong> tener las propieda<strong>de</strong>s físicas (temperatura) tan diferentes <strong>de</strong> esos dos<br />
tipos espectrales. Por consiguiente la estrella observada es en realidadun<br />
sistema binario.<br />
El efecto Doppler es muy importante en Astrofísica y permite medir la<br />
componente <strong>de</strong> la velocidad en la dirección <strong>de</strong> observación (la visual) que es<br />
la llamada velocidad radial (Figura 6.4 ). Sabemos que la frecuencia o la<br />
longitud <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> la luz (fotón) varía cuando la fuente emisora (estrella) se<br />
mueve alejándose o acercándose, es <strong>de</strong>cir, cuando hay un movimiento<br />
relativo entre la fuente y el observador. Las líneas <strong>de</strong> absorción <strong>de</strong> los<br />
espectros estelares muestran <strong>de</strong>splazamientos en longitud <strong>de</strong> onda por efecto<br />
Doppler que pue<strong>de</strong>n medirse y proporcionan la velocidad radial. Cuando una<br />
estrella se mueve hacia nosotros sus líneas espectrales estan <strong>de</strong>splazadas<br />
hacia las cortas longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> onda, hacia el azul. Por el contrario sí la estrella<br />
se aleja las líneas se <strong>de</strong>splazan hacia las gran<strong>de</strong>s longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> onda, hacia el<br />
rojo (Figura 5-1-1)). Sí λ0 es la longitud <strong>de</strong> onda en reposo (<strong>de</strong> laboratorio) <strong>de</strong><br />
una línea espectral y λ es la longitud <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> la misma línea en el espectro<br />
estelar, por efecto Doppler tenemos<br />
(λ - λ 0) / l 0 = v r / c ; Δλ / λ 0 = v r / c<br />
don<strong>de</strong> v r es la velocidad radial (positiva cuando se aleja el objeto y negativa<br />
cuando se acerca) y c la velocidad <strong>de</strong> la luz.<br />
Las binarias espectroscópicas que acabamos <strong>de</strong> <strong>de</strong>scribir, esto es, que<br />
muestran duplicidad <strong>de</strong> las lineas o dos espectros diferentes, pertenecen al<br />
tipo SB2. Con ello se busca distinguirlas <strong>de</strong>l tipo SB1 que compren<strong>de</strong> los<br />
casos en los que una componente es mucho menos luminosa que otra y su<br />
espectro no pue<strong>de</strong> obvservarse. I<strong>de</strong>ntificamos sólo las líneas espectrales <strong>de</strong><br />
la estrella más luminosa que muestran <strong>de</strong>splazamientos en el curso <strong>de</strong>l<br />
tiempo hacia el rojo y hacia el azul, causados por el movimiento orbital.<br />
Representando v, frente al tiempo resulta la llamada curva <strong>de</strong> velocidad radial.<br />
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Finalmente, hay una pequeña fracción <strong>de</strong> todos los sistemas binarios que<br />
están orientados <strong>de</strong> forma que periódicamente las dos estrellas se ocultan<br />
una a la otra en la dirección <strong>de</strong> observación, dando lugar a eclipses en los que<br />
disminuye la magnitud aparente <strong>de</strong>l sistema binario. Utilizando <strong>de</strong>tectores<br />
a<strong>de</strong>cuados se pue<strong>de</strong>n medir las variaciones <strong>de</strong> la magnitud. Representándolas<br />
frente al tiempo se obtiene la llamada curva <strong>de</strong> luz que permite obtener<br />
parámetros orbitales y propieda<strong>de</strong>s físicas <strong>de</strong> las estrellas. Todas las binarias<br />
eclipsantes son también binarias espectroscópicas.<br />
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3.6. Estrellas W. Virginis<br />
Figura 5-3-5: Curva <strong>de</strong> luz <strong>de</strong> la cefeida <strong>de</strong> la población II W Vir. Sí se compara con la <strong>de</strong><br />
δ Cephei se ve que ésta muestra máximos más planos que caracterizan a las curvas <strong>de</strong><br />
luz <strong>de</strong> la población II. En la parte <strong>de</strong> abajo <strong>de</strong> se muestra la curva <strong>de</strong> velocidad radial.<br />
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En 1952 Baa<strong>de</strong> mostró que había dos tipos <strong>de</strong> Cefeidas: las Cefeidas clásicas<br />
y las estrellas W Virginis, ambos tipos obe<strong>de</strong>cían la relación<br />
período-luminosidad, pero las W Vir, <strong>de</strong> un período dado, eran 1.5 magnitud<br />
más débiles que las Cefeidas clásicas <strong>de</strong>l mismo período. La diferencia se<br />
<strong>de</strong>be a que las Cefeidas clásicas son objetos jóvenes <strong>de</strong> la población I,<br />
mientras que las W Vir son estrellas viejas <strong>de</strong> la población II. En los <strong>de</strong>más<br />
aspectos las dos clases <strong>de</strong> variables son similares.<br />
Al principio se usaron los dos tipos <strong>de</strong> variables para calibrar la relación<br />
período-luminosidad y las distancias obtenidas eran menores. Cuando se<br />
corrigió el error y se usa la relación período-luminosidad correcta (que es la<br />
representada en la Figura 5-3-5) todas las distancias extragalácticas se<br />
duplicaron, el universo observable duplicó su tamaño en 1952.<br />
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3.7. Estrellas RR Lyrae<br />
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Figura 5-3-6: Tres ejemplos <strong>de</strong> curva <strong>de</strong> luz <strong>de</strong> estrellas variables pulsantes <strong>de</strong> tipo RR<br />
Lyrae.<br />
Son estrellas pulsantes y en la Figura 5-3-6 vemos tres ejemplos <strong>de</strong> curva <strong>de</strong><br />
luz. Las variaciones <strong>de</strong> magnitud son menores que las <strong>de</strong> las Cefeidas, en<br />
general menos <strong>de</strong> 1 magnitud. Los períodos son también cortos menos <strong>de</strong> 1<br />
día. Como las W Vir, las RR Lyrae son estrellas viejas <strong>de</strong> la población II y se<br />
encuentran en los cúmulos globulares por lo que también han recibido el<br />
nombre <strong>de</strong> variables <strong>de</strong> cúmulo.<br />
Las magnitu<strong>de</strong>s absolutas <strong>de</strong> las RR Lyr son alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> M v = 0.6 ± 0.3.<br />
Todas tienen la misma edad y masa por lo tanto representan la misma fase<br />
evolutiva: cuando el helio está justo empezando a quemarse en el núcleo.<br />
Siendo sus magnitu<strong>de</strong>s absolutas conocidas se pue<strong>de</strong>n utilizar para calcular<br />
distancias a los cúmulos globulares.<br />
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<strong>Módulo</strong> 5<br />
<strong>Unidad</strong> didáctica 1:<br />
Estrellas binarias<br />
Órbitas absolutas respecto al centro <strong>de</strong> masas<br />
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1.2. Binarias bisuales<br />
Figura 5-1-2: Binaria visual.<br />
a) medida en un tiempo t <strong>de</strong> la separación angular r <strong>de</strong> las estrellas y <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong><br />
posición q <strong>de</strong> la secundaria.<br />
b) órbita aparente<br />
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Como indicamos en la introducción son aquellas binarias que tienen<br />
suficiente separación angular aparente para ser resueltas por un telescopio.<br />
Haciendo observaciones regulares se pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>terminar su órbita, sus<br />
períodos orbitales van <strong>de</strong> unas pocas <strong>de</strong>cenas <strong>de</strong> años a cientos <strong>de</strong> años.<br />
Para obtener la órbita se elige una estrella <strong>de</strong> referencia, normalmente la más<br />
brillante <strong>de</strong> las dos, <strong>de</strong>nominada estrellaprimaria (la más débil es la<br />
secundaria). Se observa en un instante t la separación angular ρ <strong>de</strong> las<br />
estrellas y el ángulo <strong>de</strong> posición θ <strong>de</strong> la secundaria, que esta <strong>de</strong>finido por el<br />
polo norte celeste, la estrella primaria y la secundaria (Figura 5-1-2), siendo<br />
positivo en la dirección que aumenta la ascensión recta.<br />
La órbita elíptica obtenida a partir <strong>de</strong> las observaciones recibe el nombre <strong>de</strong><br />
órbita aparente. La órbita aparente es la proyección <strong>de</strong> la órbita relativa o<br />
verda<strong>de</strong>ra sobre el plano <strong>de</strong>l cielo. Como la órbita relativa es una elipse (dada<br />
por las leyes <strong>de</strong> Kepler) la aparente también lo es aunque <strong>de</strong> diferente tamaño<br />
y forma. La órbita relativa resulta <strong>de</strong> consi<strong>de</strong>rar una estrella fija en el foco y la<br />
otra <strong>de</strong>scribiendo una elipse alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> ella (primera ley <strong>de</strong> Kepler). Así una<br />
vez obtenida observacionalmente la órbita aparente <strong>de</strong>bemos <strong>de</strong>sproyectarla<br />
por métodos estándares y obtener la órbita relativa para aplicar la tercera ley<br />
<strong>de</strong> Kepler y así obtener la masa. Las observaciones proporcionan<br />
inmediatamente el período, P, en años que será el mismo en la órbita aparente<br />
y en la verda<strong>de</strong>ra. También obtenemos el tamaño <strong>de</strong>l semieje mayor, a , en<br />
segundos <strong>de</strong> arco y sí conocemos la distancia, po<strong>de</strong>mos aplicar la tercera ley<br />
<strong>de</strong> Kepler y <strong>de</strong>ducirr la suma <strong>de</strong> las masas.<br />
La tercera ley <strong>de</strong> Kepler dice: el producto <strong>de</strong>l cuadrado <strong>de</strong>l período por la<br />
masa total <strong>de</strong>l sistema es proporcional al cubo <strong>de</strong>l semieje<br />
G / 4π 2 P 2 (M 1 + M 2 ) = A 3<br />
don<strong>de</strong> G es la constante <strong>de</strong> gravitación, P el período en años y A el semieje<br />
mayor en ua. Sí medimos las masas en masas solares M ⁄ ,como es usual,<br />
esta expresión se simplifica y queda <strong>de</strong> la forma siguiente:<br />
P 2 (M 1 + M 2 ) = A 3<br />
para <strong>de</strong>mostrarlo sólo es necesario aplicar la tercera ley a la Tierra y el Sol,<br />
don<strong>de</strong> P = 1 año, A = 1 UA, M 1 = M ⁄ y M 2 = M ⊕ (Tierra) y la masa <strong>de</strong> la Tierra<br />
es <strong>de</strong>spreciable frente a la <strong>de</strong>l Sol<br />
G / 4π 2 1 (M ⁄ + M ⊕ ) = 1<br />
dividiendo la tercera ley por esta ecuación obtenemos la expresión<br />
simplificada anterior, siempre que las masas se midan en masas solares.<br />
Aplicando esta ecuación, P 2 (M 1 + M 2 ) = A 3 , obtenemos la suma <strong>de</strong> las<br />
masas pero como <strong>de</strong> las observaciones proporcionan el semieje en segundos<br />
<strong>de</strong> arco, a, necesitamos la distancia para obtener el tamaño lineal<br />
d (pc) = 1/p" siendo p la paralaje en segundos <strong>de</strong> arco,<br />
A (UA) = a" / p" sustituyendo obtenemos<br />
P 2 (M 1 + M 2 ) = (a"/p") 3<br />
Así calculamos la suma <strong>de</strong> las masas <strong>de</strong> las dos estrellas. Sí queremos las<br />
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masas individuales <strong>de</strong>bemos hacer más observaciones. Es necesario obtener<br />
la órbita absoluta, es <strong>de</strong>cir, la que recorre cada una <strong>de</strong> las dos estrellas<br />
alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong> masas <strong>de</strong>l sistema. Para ello hay que conocer las<br />
posiciones <strong>de</strong> ambas estrellas, observando su movimiento respecto a las<br />
estrellas muy lejanas <strong>de</strong>l fondo, durante un largo período <strong>de</strong> tiempo.<br />
El centro <strong>de</strong> masas <strong>de</strong>l sistema o centro <strong>de</strong> gravedad recorre una trayectoria<br />
rectilínea, cuando se observa respecto a las débiles estrellas <strong>de</strong>l fondo y las<br />
dos componentes <strong>de</strong>l sistema siguen trayectorias curvas con una lenta<br />
oscilación alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong> masas (Figura 5-1-3).<br />
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Figura 5-1-3:<br />
Movimiento absoluto <strong>de</strong><br />
las dos estrellas<br />
alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong><br />
masas <strong>de</strong>l sistema.
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Figura 5-1-4: Órbitas absolutas respecto al centro <strong>de</strong> masas. Órbita relativa (a trazos),<br />
suponiendo que la estrella <strong>de</strong> mayor masa permanece fija en el foco.<br />
Con estas observaciones po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>terminar los semiejes mayores <strong>de</strong> las<br />
órbitas absolutas en segundos <strong>de</strong> arco, a 1 " y a 2 ", a<strong>de</strong>más, se verifica que el<br />
semieje <strong>de</strong> la órbita relativa a" es la suma <strong>de</strong> los semiejes <strong>de</strong> las órbitas<br />
absolutas a" = a 1" + a 2 " (Figura 5-1-4) y por el teorema <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong> masas:<br />
M 1 a 1 " = M 2 a 2 " M 1 / M 2 = a 2 " / a 1 "<br />
con esta ecuación y la tercera ley <strong>de</strong> Kepler: P 2 (M 1 + M 2 ) = (a"/p") 3<br />
po<strong>de</strong>mos obtener las masas individuales <strong>de</strong> cada estrella.<br />
Las masas típicas obtenidas <strong>de</strong> las binarias visuales van <strong>de</strong> 0.1 a 20 M ⁄ .<br />
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1.6. La curva <strong>de</strong> luz y los radios<br />
file:///F|/antares/modulo5/m5_u106.html (1 <strong>de</strong> 2) [12/3/2000 18.28.51]<br />
Figura 5-1-12:<br />
Estimación <strong>de</strong> los<br />
radios estelares en un<br />
sistema binario<br />
eclipsante.
<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 1- 06- <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> tecnologías - MEC -<br />
La mejor información se obtiene <strong>de</strong> los sistemas binarios eclipsantes que son<br />
a la vez sistemas espectroscópicos. Todas las binarias eclipsantes son<br />
binarias espectroscópicas pero el inverso no es cierto, para ser eclipsante es<br />
necesario que la inclinación sea, i ≅ 90 o . Midiendo la duración <strong>de</strong> los eclipses<br />
y conociendo las velocida<strong>de</strong>s en la órbitas absolutas o la velocidad relativa <strong>de</strong><br />
una respecto a otra, po<strong>de</strong>mos obtener los radios <strong>de</strong> cada una <strong>de</strong> las estrellas.<br />
Sea t 1 el instante en e que se produce el primer contacto y t 2 el fin <strong>de</strong>l eclipse,<br />
Sí el semieje mayor <strong>de</strong> la órbita es suficientemente gran<strong>de</strong> comparado con los<br />
dos radios estelares y la órbita es casi circular, se pue<strong>de</strong> condi<strong>de</strong>rar <strong>de</strong> modo<br />
aproximado que el objeto más pequeño (B) se mueve perpendicularmente a la<br />
línea <strong>de</strong> observación durante el eclipse. En este intervalo <strong>de</strong> tiempo el espacio<br />
recorrido por B es simplemente<br />
2 R A + 2 R B = v (t 4 - t 1)<br />
don<strong>de</strong> v = v 2 + v 1 es la velocidad relativa <strong>de</strong> las dos estrellas y v 2 y v 1 son las<br />
velocida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la componente pequeña (B) y gran<strong>de</strong> (A) respectivamente.<br />
Análogamente, sí consi<strong>de</strong>ramos el tiempo transcurrido entre t 2 y t 3 se pue<strong>de</strong><br />
obtener el espacio recorrido por la estrella pequeña durante la totalidad <strong>de</strong>l<br />
eclipse<br />
2 R A - 2 R B = v (t 3 - t 2 )<br />
Con estas dos ecuaciones obtenemos los radios <strong>de</strong> ambas estrellas.<br />
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Cuestiones y problemas para autoevaluación<br />
●<br />
●<br />
Cuestiones<br />
Cuestiones<br />
Problemas<br />
1. ¿Por qué son importantes las estrellas binarias visuales?<br />
2. ¿Cuál es la famosa ley <strong>de</strong> movimiento que se utiliza para calcular las<br />
masas?<br />
3. ¿Qué significa SB1, y SB2?<br />
4. ¿Qué es la relación masa-luminosidad?<br />
5. ¿Qué es la curva <strong>de</strong> luz y que forma tiene?<br />
6. ¿Qué po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>ducir a partir <strong>de</strong> la curva <strong>de</strong> velocidad radial?<br />
7. ¿Qué es la función <strong>de</strong> masas <strong>de</strong> un sistema binario?<br />
8. A partir <strong>de</strong> la observación <strong>de</strong> un sistema binario eclipsante ¿Qué<br />
parámetros estelares po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>terminar?<br />
9. ¿Qué parámetro importante suministran las estrellas binarias que son a la<br />
vez espectroscópicas y eclipsantes?<br />
Problemas<br />
1. En una binaria eclipsante <strong>de</strong> periodo 8.6 años el análisis <strong>de</strong> su espectro<br />
muestra líneas <strong>de</strong> las dos estrellas, es <strong>de</strong>cir, que también es binaria<br />
espectroscópica SB2. El <strong>de</strong>splazamiento máximo <strong>de</strong> la línea <strong>de</strong> hidrógeno Hα<br />
(6562.8 Å) para la componente más pequeña es Δ λ s = 0.72 Åy para su<br />
compañera es sólo Δ λ 1 = 0.068 Å. Por la curva <strong>de</strong> velocidad radial se sabe<br />
que las órbitas son circulares. La duración <strong>de</strong>l eclipse es 165 días, siendo 164<br />
días la duración <strong>de</strong> la totalidad. Calcular las masas y los radios <strong>de</strong> ambas<br />
componentes.<br />
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2. La estrella α Centauri es una estrella binaria cuyas componentes tienen<br />
magnitu<strong>de</strong>s aparentes <strong>de</strong> 0.09 y 1.38 respectivamente. a) Calcular la relación<br />
<strong>de</strong> luminosida<strong>de</strong>s entre las componentes. b) Calcular la magnitud aparente <strong>de</strong>l<br />
sistema. c) Siendo 0".76 la paralaje <strong>de</strong> la estrella, calcular su magnitud<br />
absoluta. d) Siendo 1722.66 la distancia angular media <strong>de</strong> la estrella<br />
secundaria a la principal, calcular el radio <strong>de</strong> la órbita relativa en ua y en km.<br />
e) Obtener la suma <strong>de</strong> las masas en unida<strong>de</strong>s solares, sabiendo que el periodo<br />
es <strong>de</strong> 80.1 años.<br />
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Proyectos o activida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> observación<br />
1. Observación <strong>de</strong> estrellas binarias utilizando el Observatorio Astronómico<br />
Virtual. Medidas <strong>de</strong> la separación aparente, ángulo <strong>de</strong> posición relativo y<br />
<strong>de</strong>terminación <strong>de</strong>l po<strong>de</strong>r resolutivo <strong>de</strong> un telescopio (diagrama <strong>de</strong> Peterson).<br />
La <strong>de</strong>scripción completa <strong>de</strong> esta práctica así como los procesos necesarios<br />
para su realización están explicados con <strong>de</strong>talle en el Apéndice. Por favor,<br />
antes <strong>de</strong> acce<strong>de</strong>r al Observatorio, consulte el manual <strong>de</strong> instrucciones.<br />
2. Realizar observaciones con un telescopio (real) <strong>de</strong> 20 cm <strong>de</strong> las estrellas<br />
binarias listadas a continuación, midiendo la separación aparente y estimando<br />
los tipos espectrales <strong>de</strong> las estrellas miembros a partir <strong>de</strong>l color.<br />
Alamak (γ Andrómeda), en la constelación <strong>de</strong> Andrómeda.<br />
Coor<strong>de</strong>nadas: α = 02 h 03.9 m ; δ = 42º 20´<br />
Mesarzim (γ Aries), en la constelación <strong>de</strong> Aries.<br />
Coor<strong>de</strong>nadas: α = 01 h 53.5 m ; δ = 19º 18´<br />
Cefeo, en la constelación <strong>de</strong> Cefeo.<br />
Coor<strong>de</strong>nadas: α = 22 h 29.2 m ; δ = 58º 25´<br />
En la constelación <strong>de</strong> Pegasus, S 2841.<br />
Σ 2978.<br />
Coor<strong>de</strong>nadas: α = 21 h 52 m ; δ =19º29´<br />
Coor<strong>de</strong>nadas: α = 23 h 05 m ; δ = 32º33´<br />
Σ 552, en la constelación <strong>de</strong> Perseus.<br />
Coor<strong>de</strong>nadas:α =04 h28 m ; δ = 39º54´<br />
τ Tauri en la constelación <strong>de</strong> Taurus.<br />
Coor<strong>de</strong>nadas: α =04 h 20 m ; δ = 25º31´<br />
file:///F|/antares/modulo5/m5_u1activid.html (1 <strong>de</strong> 2) [12/3/2000 18.28.51]
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1.3. Relación Masa-Luminosidad<br />
Figura 5-1-5: Relación empirica masa-luminosidad.<br />
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<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 1- 03- <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> tecnologías - MEC -<br />
A pesar <strong>de</strong> que no siempre es posible obtener las masas en un sistema<br />
binario, para aquellos que sí se conocen con exactitud, se buscan relaciones<br />
empíricas <strong>de</strong> éstas con otros parámetros físicos fácilmente medibles y así,<br />
po<strong>de</strong>r <strong>de</strong>ducir las masas para las restantes estrellas. Sí representamos las<br />
masas en función <strong>de</strong>l brillo, observamos que la mayoría <strong>de</strong> las estrellas se<br />
sitúan en una banda estrecha que da lugar a la relación masa-luminosidad,<br />
que muestra que cuanto más masiva es una estrella más luminosa será<br />
(Figura 5-1-5) que muestra que cuanto más masiva es una estrella mayor es su<br />
luminosidad. Es la relación masa-luminosidad. Para estrellas normales enanas<br />
o <strong>de</strong> la secuencia principal <strong>de</strong>l diagrama H-R, la luminosidad es<br />
aproximadamente proporcional a la masa elevada a la potencia <strong>de</strong><br />
aproximadamente 3.5.<br />
L ∝ M 3.5<br />
Así una estrella que tenga una masa doble que otra su luminosidad será entre<br />
8 (2 3 = 8) y 16 (2 4 = 16) veces más luminosa.<br />
Una estrella enana (<strong>de</strong> la secuencia principal) <strong>de</strong> diez masas solares es una<br />
estrella <strong>de</strong> tipo espectral B, sí sólo tiene dos masas solares será <strong>de</strong> tipo A.<br />
Naturalmente el Sol <strong>de</strong> tipo G tiene una masa solar y una <strong>de</strong> tipo K tiene media<br />
masa solar (ver Tabla 13.1). Como ya hemos visto, la masa <strong>de</strong> una estrella es<br />
un parámetro fundamental que fija su posición en la secuencia principal y su<br />
posterior evolución.<br />
Tabla 13.1. Valores medios <strong>de</strong> las masas estelares.<br />
Tipo espectral M/M ⁄<br />
O 3 120<br />
V III I<br />
O 5 60 70<br />
O 6 37 40<br />
O 8 23 28<br />
B 0 17.5 20 25<br />
B 5 5.9 7 20<br />
A 0 2.9 4 16<br />
A 5 2.0 13<br />
F 0 1.6 12<br />
G 0 1.05 1 10<br />
G 5 0.92 1.1 12<br />
K 0 0.79 1.1 13<br />
K 5 0.67 1.2 13<br />
M 0 0.51 1.2 13<br />
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M 5 0.21 24<br />
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1.5. Binarias eclipsantes o fotométricas<br />
Figura 5-1-7: Sistema binario eclipsante y su curva <strong>de</strong> luz.<br />
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La variación <strong>de</strong> la magnitud con el tiempo suministra la llamada curva <strong>de</strong> luz<br />
<strong>de</strong> un sistema binario eclipsante, esta curva es periódica y los períodos<br />
suelen ser <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> días indicando que las estrellas se encuentran<br />
bastante próximas. Las curvas <strong>de</strong> luz varían <strong>de</strong> un binaria a otra pero en<br />
general todas presentan dos mínimos <strong>de</strong> la magnitud <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> un período<br />
que sólo pue<strong>de</strong> interpretarse consi<strong>de</strong>rando un sistema <strong>de</strong> dos estrellas que<br />
orbitan una alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> la otra y presentan eclipses al observador, para lo<br />
cual la inclinación <strong>de</strong> la órbita <strong>de</strong>be ser próxima a 90 o, es <strong>de</strong>cir, el plano <strong>de</strong> la<br />
órbita contiene a la dirección <strong>de</strong> observación.<br />
La forma básica <strong>de</strong> la curva <strong>de</strong> luz (Figura 5-1-7) presenta dos mínimos planos<br />
que indican que el eclipse es total y fuera <strong>de</strong> los eclipses el nivel permanece<br />
constante con la contribución <strong>de</strong> las dos estrellas. El mínimo más profundo es<br />
el principal y el otro mínimo el secundario.<br />
Estudiando las curvas <strong>de</strong> luz se pue<strong>de</strong>n <strong>de</strong>terminar características <strong>de</strong> las<br />
órbitas, ya que la forma <strong>de</strong> la curva <strong>de</strong> luz está <strong>de</strong>terminada por los siguientes<br />
factores:<br />
1) Forma <strong>de</strong> la órbita relativa. 2) El tamaño relativo <strong>de</strong> las dos componentes<br />
<strong>de</strong>l sistema. 3) La orientación <strong>de</strong>l eje mayor <strong>de</strong> la órbita respecto a la dirección<br />
<strong>de</strong> observación. 4) La relación <strong>de</strong> luminosida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> las dos componentes. 5)<br />
Efectos <strong>de</strong> reflexión, no esfericidad, oscurecimiento hacia el bor<strong>de</strong>.<br />
Vamos a ver estos efectos con algunos ejemplos. El caso más simple es aquel<br />
en que la órbita es circular y el plano <strong>de</strong> la órbita contiene la dirección <strong>de</strong><br />
observación. Las dos estrellas son <strong>de</strong> igual luminosidad y tamaño, en este<br />
caso, los mínimos principal y secundario son idénticos y están igualmente<br />
espaciados en el tiempo. El período es igual a dos veces el tiempo entre dos<br />
mínimos sucesivos. Como los mínimos se presentan en el eclipse total<br />
cuando una estrella oculta exactamente a la otra estos mínimos serán<br />
puntuales por ser las estrellas <strong>de</strong> igual tamaño (Figura 5-1-8).<br />
Mínimos puntuales ⇒ Estrellas <strong>de</strong> igual tamaño<br />
Mínimo principal = Mínimo secundario ⇒ Estrellas <strong>de</strong> igual luminosidad<br />
En una órbita circular el mínimo secundario aparece en medio <strong>de</strong> dos mínimos<br />
principales.<br />
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Figura 5-1-8: Curva <strong>de</strong><br />
luz correspondiente a<br />
una órbita circular y las<br />
dos estrellas <strong>de</strong> igual<br />
luminosidad y tamaño.
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Figura 5-1-9: Curva <strong>de</strong> luz correspondiente a una órbita circular con una estrella más<br />
luminosa y <strong>de</strong> mayor tamaño que la otra.<br />
A continuación consi<strong>de</strong>ramos una órbita circular pero una estrella más<br />
caliente (más luminosa) y <strong>de</strong> mayor tamaño que la otra. El mínimo secundario<br />
estará en medio <strong>de</strong> dos mínimos principales, pero es menos profundo. Los<br />
mínimos serán planos ya que el mínimo principal ocurre cuando la estrella<br />
pequeña y menos luminosa pasa <strong>de</strong>lante <strong>de</strong> la más luminosa y gran<strong>de</strong>, el<br />
eclipse no es total (anular) y llega luz <strong>de</strong> la estrella débil y <strong>de</strong> la parte no<br />
eclipsada <strong>de</strong> la brillante. Durante el mínimo secundario el eclipse <strong>de</strong> la<br />
pequeña es total y sólo llega luz <strong>de</strong> la estrella brillante durante todo el tiempo<br />
que la otra está <strong>de</strong>trás, este mínimo también es plano (Figura 5-1-9)<br />
Figura 5-1-10: Curva <strong>de</strong> luz correpondiente a una órbita elíptica, con el semieje mayor<br />
perpendicular a la dirección <strong>de</strong> observación y las dos estrellas <strong>de</strong> igual tamaño.<br />
Sí la órbita recorrida es una elipse con el eje mayor perpendicular a la<br />
dirección <strong>de</strong> observación y las dos estrellas <strong>de</strong> igual tamaño, los eclipses<br />
serán puntuales <strong>de</strong> distinto tamaño o profundidad pero duran igual tiempo ( la<br />
velocidad es la misma en 1 y 3), ver Figura 5-1-10<br />
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Sí la órbita es elíptica con el eje mayor en la dirección <strong>de</strong> observación y las<br />
dos estrellas <strong>de</strong> igual tamaño el mínimo secundario queda en medio <strong>de</strong> los<br />
dos mínimos principales y los mínimos son puntuales, pero son <strong>de</strong> distinto<br />
tamaño y duran distinto tiempo (Figura 5-1-11)<br />
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Figura 5-1-11: Curva <strong>de</strong><br />
luz correspondiente a<br />
una órbita elíptica, con<br />
el semieje mayor en la<br />
dirección <strong>de</strong><br />
observación y las dos<br />
estrellas <strong>de</strong> igual<br />
tamaño.
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Soluciones<br />
●<br />
●<br />
Cuestiones<br />
Cuestiones<br />
Problemas<br />
1. ¿Por qué son importantes las estrellas binarias visuales?<br />
Permiten calcular las masas <strong>de</strong> las estrellas.<br />
2. ¿Cuál es la famosa ley <strong>de</strong> movimiento que se utiliza para calcular las<br />
masas?<br />
La tercera ley <strong>de</strong> Kepler.<br />
5. ¿Qué es la curva <strong>de</strong> luz y que forma tiene?<br />
Es la variación <strong>de</strong> la magnitud con el tiempo y presenta dos<br />
mínimos.<br />
Problemas<br />
1. En una binaria eclipsante <strong>de</strong> periodo 8.6 años el análisis <strong>de</strong> su espectro<br />
muestra líneas <strong>de</strong> las dos estrellas, es <strong>de</strong>cir, que también es binaria<br />
espectroscópica SB2. El <strong>de</strong>splazamiento máximo <strong>de</strong> la línea <strong>de</strong> hidrógeno Hα<br />
(6562.8 Å) para la componente más pequeña es D λ s = 0.72 Åy para su<br />
compañera es sólo D λ l = 0.068 Å. Por la curva <strong>de</strong> velocidad radial se sabe<br />
que las órbitas son circulares. La duración <strong>de</strong>l eclipse es 165 días, siendo 164<br />
días la duración <strong>de</strong> la totalidad. Calcular las masas y los radios <strong>de</strong> ambas<br />
componentes.<br />
M s = 1.3 M ⁄ y M l = 13.9 M ¤<br />
r s = 7.6 x 10 10 cm = 1.1 R ⁄<br />
r l = 369 R ⁄<br />
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1.4. Binarias espectroscópicas<br />
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Figura 5-1-6a:<br />
Orbitas circulares<br />
y <strong>de</strong>splazamiento<br />
<strong>de</strong> las líneas<br />
espectrales <strong>de</strong><br />
las componentes,<br />
cuya medida<br />
proporciona la<br />
velocidad radial.
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Son aquellas que están muy próximas entre sí para verse separadas pero<br />
pue<strong>de</strong>n <strong>de</strong>tectarse por las variaciones periódicas <strong>de</strong> la velocidad radial,<br />
<strong>de</strong>ducidas <strong>de</strong> los <strong>de</strong>splazamientos <strong>de</strong> las líneas <strong>de</strong> su espectro (Figura 5-6-1).<br />
La representación <strong>de</strong> la velocidad radial frente al tiempo da lugar a la llamada<br />
curva <strong>de</strong> velocidad radial.<br />
file:///F|/antares/modulo5/m5_u104.html (2 <strong>de</strong> 5) [12/3/2000 18.28.54]
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Figura 5-1-6c Curvas <strong>de</strong> velocidad radial correspondientes a órbitas <strong>de</strong> distintos tipos.<br />
La curva <strong>de</strong> velocidad radial pue<strong>de</strong> dar i<strong>de</strong>a <strong>de</strong> la forma <strong>de</strong> la órbita. Para<br />
simplificar supongamos la órbita <strong>de</strong> una estrella alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong><br />
masas y situada en un plano que contiene a la línea <strong>de</strong> observación.<br />
Consi<strong>de</strong>remos, como ejemplo, tres tipos <strong>de</strong> órbitas: a) circular; b) elíptica con<br />
el semieje mayor perpendicular a la dirección <strong>de</strong> observación; c) elíptica con<br />
el semieje mayor en la dirección <strong>de</strong> observación. En la Figura 5-1-6c se<br />
representan lo tres casos, en las posiciones 1 y 3 el movimiento es<br />
perpendicular a la visual y la velocidad radial es cero. Para la órbita circular la<br />
curva <strong>de</strong> velocidad radial es simétrica, es una senusoi<strong>de</strong>.<br />
Para una órbita elíptica con el semieje perpendicular al observador, las leyes<br />
<strong>de</strong> Kepler predicen que, la velocidad será mayor en el periastro y en<br />
consecuencia tarda menos tiempo en recorrer esta parte <strong>de</strong> la órbita. La curva<br />
<strong>de</strong> velocidad radial muestra un pico entre los puntos 1, 2 y 3, tarda más<br />
tiempo en recorrer <strong>de</strong> 3 a 4 y volver a llegar a 1.<br />
Para una órbita elíptica con su semieje mayor en la dirección <strong>de</strong> observación,<br />
la velocidad cambia rápidamente <strong>de</strong> negativa a positiva en el punto 1, cerca<br />
<strong>de</strong>l periastro. El cambio <strong>de</strong> velocidad <strong>de</strong> positiva a negativa en el punto<br />
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opuesto, 3, es mucho más lenta.<br />
La velocidad radial observada, corregida <strong>de</strong>l movimiento <strong>de</strong> la Tierra, es <strong>de</strong>cir,<br />
respecto al Sol, está compuesta <strong>de</strong> dos términos la velocidad radial <strong>de</strong>l centro<br />
<strong>de</strong> masas que es constante, v cm , más la componente radial <strong>de</strong> la velocidad<br />
orbital, v 0 ,<br />
v r = v cm + v 0<br />
es evi<strong>de</strong>nte que v 0 es la velocidad <strong>de</strong> la estrella en su órbita absoluta, no en la<br />
relativa o verda<strong>de</strong>ra. La estrella <strong>de</strong>scribe una órbita cerrada, elíptica o circular,<br />
alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong> masas. Por tanto durante un periódo, la distancia que<br />
se mueve en una dirección es igual a la que recorre en la opuesta. Sí<br />
calculamos el área encerrada por una curva en un periódo, esto es intrgramos<br />
sobre un periódo, y la dividimos en dos partes iguales por una recta, esta<br />
línea indica el valor <strong>de</strong> la velocidad <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong> masas, v cm .<br />
En el caso <strong>de</strong> que ambas componentes <strong>de</strong>l sistema contribuyan al espectro<br />
observado, SB2, resultan dos curvas <strong>de</strong> velocidad radial, una para cada<br />
estrella. El análisis <strong>de</strong> la curva <strong>de</strong> velocidad permite obtener por los valores <strong>de</strong><br />
su amplitud, a 1 sen i. Don<strong>de</strong> a 1 es el semieje <strong>de</strong> la órbita absoluta <strong>de</strong> la<br />
primaria e i la inclinación <strong>de</strong> la órbita, que es el ángulo que forma el plano <strong>de</strong><br />
la órbita con el plano <strong>de</strong> referencia o <strong>de</strong>l cielo que es perpendicular a la<br />
dirección <strong>de</strong> observación. Por tanto a 1 sen i es la proyección <strong>de</strong>l semieje en<br />
un el plano <strong>de</strong>l cielo, perpendicular a la dirección <strong>de</strong> observación. De la otra<br />
curva <strong>de</strong>ducimos para la secundaria a 2 sen i. La relación entre las masas <strong>de</strong><br />
las componentes será ahora M 1 a 1 sen i = M 2 a 2 sen i .<br />
Sí suponemos las órbitas circulares y que se ven los dos espectros, la<br />
velocidad orbital para cada una <strong>de</strong> las estrellas será<br />
v 1 = 2π a 1 / P v 2 = 2π a 2 / P<br />
dividiendo una por otra<br />
v 1 / v 2 = a 1 / a 2 = M 2 / M 1<br />
Aplicando la tercera ley <strong>de</strong> Kepler y multiplicando los dos miembros <strong>de</strong> la<br />
ecuación por sen 3 i<br />
a 3 sen 3 i = (a 1 sen i + a 2 sen i) 3 = P 2 (M 1 + M 2 ) sen 3 i<br />
ya que<br />
a sen i = a 1 sen i + a 2 sen i<br />
Con esta ecuación y con la relación <strong>de</strong> masas:<br />
M 1 / M 2 = a 1 sen i / a 2 sen i<br />
po<strong>de</strong>mos obtener (M 1 sen 3 i) y (M 2 sen 3 i) pero no las masas individuales.<br />
Sí sólo se observa el espectro <strong>de</strong> una componente, la más luminosa o<br />
primaria, SB1, la información que se obtiene es mucho menor, se <strong>de</strong>duce la<br />
file:///F|/antares/modulo5/m5_u104.html (4 <strong>de</strong> 5) [12/3/2000 18.28.54]
<strong>ANTARES</strong> - <strong>Módulo</strong> 5 - <strong>Unidad</strong> 1- 04- <strong>Programa</strong> <strong>de</strong> <strong>Nuevas</strong> tecnologías - MEC -<br />
llamada función <strong>de</strong> masas. Suponemos que sólo conocemos (a 1 sen i)<br />
(M 1 + M 2 ) P 2 = (a 1 + a 2 ) 3 = a 1 3 (1 + a2 / a 1 ) 3 = a 1 3 (1 + M1 / M 2 ) 3<br />
(M 1 + M 2 ) P 2 = a 1 3 (M2 + M 1 ) 3 / M 2 3 multiplicamos los dos lados por sen 3 i<br />
a 1 3 sen 3 i / P 2 = (M2 sen i) 3 /(M 1 + M 2 ) 2<br />
que es la función <strong>de</strong> masas <strong>de</strong> una binaria espectroscópica y lo único que se<br />
pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>ducir.<br />
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