Un Universo a la Vez
Supongamos que desea construir una estrella. Tal vez seas parte de una civilización avanzada de Kardashev Tipo 3, y necesites hacer una estrella para tu proyecto de ciencia de tercer grado. ¿Cómo crearías una estrella?
En un nivel básico, es bastante simple construir una estrella. Simplemente recoja el gas y el polvo de una estrella, deje que colapse bajo su propio peso y, dado el tiempo suficiente, se formará una estrella. Así es como las estrellas se forman naturalmente. Pero ya que podríamos ser calificados en este proyecto, sería bueno tener una idea de cuánta masa podríamos necesitar, y cuál podría ser el tamaño y la temperatura de la estrella resultante.
La respuesta depende bastante del material que utilices y de cómo se comporta el material bajo diferentes temperaturas y presiones (lo que a veces se llama su ecuación de estado). Dado que el material más común en el universo es el hidrógeno, mantengamos las cosas simples y asumamos que construiremos nuestra estrella a partir de hidrógeno puro. Dado que el hidrógeno tiene una ecuación de estado muy simple, es fácil calcular lo que sucederá mientras construimos nuestra estrella.
Tamaño de los planetas por masa.
Cuando comencemos a reunir hidrógeno, comenzarán a suceder dos cosas. La primera es que la atracción gravitacional entre los átomos de hidrógeno comenzará a colapsar el gas bajo su propio peso. La segunda es que la presión del hidrógeno empujará hacia atrás contra el peso. Con el tiempo, el gas alcanzará el equilibrio hidrostático, donde la presión del gas es igual a su peso, momento en el que se tiene una bola estable de hidrógeno. Esto por sí solo no es suficiente para hacer una estrella. Si reunieras la masa de hidrógeno de Saturno, lo que tendrías es un planeta del tamaño de Saturno, no una estrella. La solución obvia es simplemente agregar más hidrógeno, lo que haría que su planeta sea cada vez más grande. Con el tiempo, tu bola de gas crecería hasta convertirse en un planeta del tamaño de Júpiter, y seguirías añadiendo más hidrógeno.
Tamaño de pico para un planeta tipo Júpiter.
Pero resulta que algo interesante sucede cuando sigues agregando más hidrógeno a tu planeta. Cuanto más hidrógeno tengas, más masa tendrás, y eso significa más peso. El gas se aprieta más fuerte, y en resultado se comprime. Así que si doblas la masa de tu planeta del tamaño de Saturno, no obtienes un planeta dos veces más grande que Saturno. Se obtiene un planeta que es un poco más grande que Saturno, pero con una densidad más alta. Por ejemplo, Júpiter es más de tres veces la masa de Saturno, pero solo un 15% más grande en tamaño. Sin embargo, Júpiter tiene una densidad media de aproximadamente el doble que Saturno.
A medida que siga agregando más masa, su planeta se hará más grande hasta aproximadamente 3 masas de Júpiter. En ese punto, el peso de su bola de hidrógeno es tan grande que agregar más en realidad hace que el planeta sea más pequeño. Como resultado, un planeta 10 veces la masa de Júpiter sería aproximadamente del mismo tamaño que el propio Júpiter. Esto plantea un verdadero desafío para los astrónomos que estudian exoplanetas. El hecho de que un planeta tenga el tamaño de Júpiter no significa que tenga una masa de Júpiter. Lo mismo es cierto para los planetas más pequeños. Un planeta «súper Tierra» un poco más grande que la Tierra podría ser un planeta rocoso o un pequeño planeta similar a Neptuno, dependiendo de de qué esté hecho.
Enanas marrones vs estrellas. Crédito: P. Marenfeld & NOAO / AURA / NSF
Una vez que su bola de hidrógeno alcanza aproximadamente 15 masas de Júpiter, entra en el régimen de enanas marrones. La adición de más masa continúa haciéndola más pequeña, pero en este punto la temperatura de su interior comienza a jugar un papel importante. Nuestro modelo simple de equilibrio hidrostático no es suficiente. El hidrógeno en el centro está siendo exprimido tan fuertemente que se calienta significativamente. Así, mientras que una enana marrón es aproximadamente del mismo tamaño que Júpiter, puede ser más de 10 veces más caliente. La adición de más masa continúa encogiendo ligeramente la enana marrón, pero llega un punto en el que el interior se calienta tanto que aumenta la presión del hidrógeno más rápido de lo que el peso agregado puede apretar. Así como hay un tamaño máximo para un planeta, hay un tamaño mínimo para una enana marrón. Ese tamaño mínimo es de aproximadamente el 80% del de Júpiter, momento en el que una enana marrón tiene una temperatura de aproximadamente 2000 K. Tal enana marrón se vería como una estrella pequeña y tenue.
Tamaño vs masa para estrellas de secuencia principal.
Pero una estrella verdadera es aquella en la que se produce fusión nuclear en su núcleo. La luz y el calor de una estrella no se deben a la contracción gravitacional, sino a la creación de energía mediante la fusión de hidrógeno en helio. Esto comienza a ocurrir cuando su bola de hidrógeno alcanza aproximadamente 90 masas de Júpiter, que casualmente es aproximadamente la misma masa que una enana marrón de tamaño mínimo. Ahora que has hecho una estrella, añadir más hidrógeno la hace más grande y caliente. Debido a que las estrellas fusionan hidrógeno en su núcleo, su tamaño y densidad cambian con el tiempo. Pero si solo consideramos estrellas estables de secuencia principal, entonces hay una relación simple entre masa y tamaño. Así que puedes decidir cuánto hidrógeno usar y calcular el tamaño de tu estrella.
Por supuesto, esto es solo una simple estrella hipotética. Las estrellas reales no están hechas puramente de hidrógeno, y dependiendo de su origen y edad, pueden comportarse de manera muy diferente a nuestra simple estrella. Los detalles se dejarán como un ejercicio de tarea para el lector.