¿Cuáles son los diferentes tipos de nebulosas en astronomía?

Fuente BIG Think

Algunas nebulosas emiten su propia luz, otras reflejan la luz de las estrellas que las rodean y otras solo absorben luz. Pero esto es solo el principio.

A lo largo del espacio, no solo se ven estrellas y planetas, sino también extensas y difusas fuentes de luz y oscuridad: las diversas clases de nebulosas que se encuentran en el Universo. Algunas son resultado de la formación estelar, otras surgen de cuerpos estelares, algunas son siluetas contra un fondo brillante, y otras son aún más extrañas o esotéricas. Hay mucho que está sucediendo en el Universo, y gracias a la astronomía moderna, hemos descubierto una enorme variedad de nebulosas. Esto es lo que sabemos hoy.

Cuando la mayoría de la gente piensa en astronomía, piensa en los objetos comunes que emiten luz, familiares en nuestro cielo nocturno: estrellas, planetas y quizás incluso galaxias. De vez en cuando, aquí en la Tierra, nos encontramos con otros objetos que, como los planetas, reflejan la luz del Sol para ser visibles a nuestros ojos o a nuestros telescopios: objetos como satélites, asteroides o cometas. Sin embargo, si observamos el Universo con nuestros telescopios, tanto dentro de nuestra propia Vía Láctea como más allá, en el gran abismo del espacio profundo, es probable que encontremos una nueva clase de objeto: objetos que no son compactos ni sólidos, sino más bien tenues, extensos y difíciles de distinguir. Los astrónomos llaman a estos objetos nebulosas.

Durante mucho tiempo, solo contábamos con conjeturas para determinar la naturaleza de estos objetos. Algunos, a medida que los telescopios avanzaban, resultaron ser meros cúmulos de estrellas. Otros resultaron ser galaxias mucho más allá de la Vía Láctea: «Universos isla» llenos de desde miles hasta billones de estrellas. Estos objetos, a veces llamados coloquialmente «tenues nebulosas» por su aparición a través de un telescopio, no solo eran fijos e inmóviles, sino que surgieron a través de una amplia gama de fenómenos astrofísicos. Con el tiempo, comenzamos a clasificarlos, a reconocer y comprender sus propiedades, y a ubicarlos en su contexto adecuado dentro de la gran historia cósmica. Estos son los diferentes tipos de nebulosas que conocen los astrónomos.

Hace mucho tiempo, los astrónomos solo contaban con sus ojos como herramientas para explorar y catalogar el Universo. Originalmente, solo se conocían cuatro tipos de objetos astronómicos:

• el Sol,
• la Luna,
• las estrellas,
• y los planetas.

Una característica notable de los planetas era que, a diferencia de las estrellas, no centelleaban como ellas, y que, en lugar de permanecer fijos con respecto a los demás objetos en el cielo, parecían vagar, o cambiar de posición, de noche en noche. Sin embargo, mucho antes de la invención del telescopio, se podían identificar objetos extensos en el oscuro cielo nocturno. Andrómeda, ahora conocida como la galaxia grande más cercana a la nuestra, fue posiblemente la primera, y pronto se le unieron otras: la Gran y la Pequeña Nube de Magallanes, así como la nebulosa del Triángulo. Las cuatro nebulosas resultaron ser galaxias.

Con la llegada del telescopio, aparecieron muchas más nebulosas. Algunas adquirieron formas espirales o elípticas: la forma más común de las galaxias que se encuentran en todo el Universo. Sin embargo, las galaxias no son «nebulosas» porque están hechas de gas. En cambio, están compuestas por enormes cantidades de estrellas, de forma similar a los cúmulos estelares que se encuentran en nuestra Vía Láctea. Aunque muchas galaxias contienen regiones nebulosas en su interior (gas, polvo e incluso material ionizado), la mayoría de las galaxias, en general, solo parecen nebulosas. En realidad, son objetos autoluminosos, alimentados principalmente por estrellas.

Sin embargo, muchos objetos con apariencia nebular están compuestos en realidad por gases difusos y extendidos. En realidad, una nebulosa es intrínsecamente difusa, no solo aparentemente difusa. Si bien algunas galaxias realmente tienen emisiones extendidas, lo que las hace verdaderamente «nebulosas» por naturaleza, son solo un pequeño subconjunto del conjunto completo de galaxias presentes en el Universo.

Lo único que todas las nebulosas tienen en común es que están compuestas de material no estelar, o de algo más que estrellas, y absorben, reflejan o emiten luz. De hecho, estas corresponden a las tres clases principales de nebulosas que los astrónomos conocieron inicialmente: nebulosas de absorción, nebulosas de reflexión y nebulosas de emisión.

Si el material gaseoso es denso, frío y se encuentra frente a una fuente de luz de fondo, es probable que cree una nebulosa de absorción, más comúnmente conocida como nebulosa oscura. Estas aparecen en todo el Universo, y abundan los ejemplos famosos. Si observas el plano de la Vía Láctea en una noche oscura y sin luna, probablemente verás no solo una gran franja de estrellas brillantes iluminando tu vista, sino lo que parecen ser nubes oscuras y opacas de material que impiden que la luz estelar llegue a tus ojos. Se trata, en efecto, de nebulosas oscuras de absorción: densas nubes moleculares de gas que impiden que la luz visible las atraviese.

Los famosos pilares de la creación en la Nebulosa del Águila son nebulosas oscuras. Los diversos glóbulos de Bok que se encuentran en las regiones de formación estelar, así como en el halo de la Vía Láctea, son ejemplos de nebulosas oscuras. Y la Nebulosa Cabeza de Caballo, una nube oscura de material opaco recortada frente a un fondo brillante de gas iluminado, también es una nebulosa oscura. En general, si eres una nube fría y densa de material ubicada frente a una fuente que de otro modo emitiría luz, así es como se forma una nebulosa oscura.

Sin embargo, algunas nubes de materia gaseosa que se encuentran en el espacio no absorben muy bien la luz, sino que la reflejan de forma excelente. En muchos casos, la principal diferencia entre una nebulosa oscura y una nebulosa de reflexión radica simplemente en la orientación y la ubicación: en lugar de estar ubicada en primer plano de una fuente luminosa de materia, que es la configuración típica de una nebulosa oscura, una nebulosa de reflexión es una nube de gas ubicada muy cerca de una fuente de luz intrínsecamente brillante y luminosa, como una estrella azul joven y caliente. Si esa nube de gas se encuentra a poca distancia detrás de la fuente de luz, generalmente forma una nebulosa de reflexión; si está ubicada bastante delante de la fuente de luz, generalmente forma una nebulosa oscura (o de absorción).

Aunque cualquier fuente de luz brillante puede iluminar una nube de gas y convertirla en una nebulosa de reflexión, las estrellas más brillantes, calientes y luminosas tienden a ser las estrellas de clase O y B, de corta vida y alta masa, del Universo: las que debieron haberse creado recientemente, a partir de episodios de formación estelar que ocurrieron solo en los últimos millones de años. (Aunque las estrellas gigantes rojas también pueden crear nebulosas de reflexión). La Nebulosa de la Llama es una famosa nebulosa de reflexión, la porción azul de la Nebulosa Trífida es una nebulosa de reflexión, y la nebulosidad polvorienta que se encuentra dentro de las Pléyades —en sí misma un famoso y relativamente joven cúmulo estelar dentro de la Vía Láctea— refleja la luz de las estrellas en su vecindad. Siempre que una nube neutra de materia refleja la luz de las estrellas en su vecindad, puede resultar una nebulosa de reflexión.

Y, por último, están las conocidas como nebulosas de emisión. En lugar de una nube fría o incluso fría de materia neutra, como las nebulosas de reflexión u oscuras, las nebulosas de emisión son muy calientes: tan calientes que los electrones de los átomos y moléculas que se encuentran en su interior alcanzan un estado excitado o incluso ionizado, lo que permite la producción de líneas de emisión —principalmente, pero no exclusivamente, a partir de elementos comunes como el hidrógeno— a medida que los electrones se recombinan con los núcleos atómicos o descienden en cascada por los distintos niveles de energía.

A diferencia de las nebulosas de reflexión, las nebulosas de emisión suelen ser de color rojo o rosa, ya que el hidrógeno —el elemento más común del universo con diferencia, representando aproximadamente el 92 % de todos los átomos en número— emite una «línea roja» característica al desexcitarse del nivel de energía n=3 al n=2. Esto suele indicar temperaturas muy altas: temperaturas de ~10 000 K o superiores. En algunos casos raros pero excepcionales, las nebulosas de emisión pueden adquirir un color verde: esto corresponde a la recombinación de electrones con átomos de oxígeno doblemente ionizados y su desexcitación a través de los distintos niveles de energía, un fenómeno que requiere temperaturas de ~50.000 K o superiores.

Las nebulosas de emisión se encuentran ubicuamente en regiones activas de formación estelar, y el color rojo de los átomos de hidrógeno representa la abrumadora mayoría de las nebulosas de emisión. De hecho, a veces se encuentran juntos gas neutro y frío y gas caliente e ionizado, creando casos en los que las nebulosas de emisión, reflexión e incluso absorción (es decir, oscuras) pueden encontrarse en la misma región del espacio.

Sin embargo, también existen otros tipos de nebulosas: nebulosas que no surgen de nubes de gas dispersas, difusas y extendidas, comunes en las regiones de formación estelar (o potencialmente futuras). En cambio, la humilde estrella puede dar lugar a nebulosas de una enorme variedad de maneras.

Un ejemplo de cómo una estrella puede generar emisión extendida proviene de una clase de objetos astronómicos conocidos como objetos Herbig-Haro. Estas estrellas jóvenes y masivas a menudo producen erupciones estelares: eyecciones gaseosas colimadas que fluyen desde la propia estrella joven (o sistema estelar). Originalmente confinadas a unos pocos objetos conocidos, recientemente se han identificado docenas de ellas solo en la Nebulosa de Orión gracias a la increíble potencia del Telescopio Espacial James Webb (JWST).

Las estrellas jóvenes que crean estos objetos Herbig-Haro no siempre se encuentran solas, como estrellas aisladas o conjuntos de estrellas, sino que a menudo se encuentran como estrellas jóvenes brillantes dentro de un complejo de gas extendido y difuso. Por razones aún desconocidas, los chorros y las emanaciones provenientes de estos objetos Herbig-Haro suelen alinearse, incluso en diferentes sistemas estelares dentro del mismo complejo gaseoso. Los objetos Herbig-Haro, al expulsar este material de vuelta al medio interestelar, constituyen una importante fuente de producción de polvo en el Universo, donde dicho material expulsado puede posteriormente convertirse en una nebulosa oscura, de reflexión o de emisión.

Las nebulosas también pueden surgir, aunque generalmente a escalas mucho menores que las de las regiones típicas de formación estelar, a partir de la formación de estrellas individuales, la evolución de estrellas individuales o en parejas, y la muerte de estrellas de todo tipo.

Cuando las estrellas individuales se forman inicialmente, suelen hacerlo como resultado de la contracción de una nube de gas suficientemente masiva. A veces, la nube tiene una masa tan baja que solo se forma una estrella central; otras veces, la nube es lo suficientemente masiva y extensa como para no simplemente contraerse hacia su centro, sino fragmentarse, produciendo un gran número de estrellas, con masas potencialmente muy variables, a lo largo de la nube molecular que colapsó para formarlas.

Cuando ocurre esta contracción, el gas se calienta. Incluso cuando se acumula suficiente material para dar lugar a la formación de nuevas estrellas, es un proceso bastante lento, que a menudo tarda decenas de millones de años para que una protoestrella colapse lo suficiente como para iniciar la fusión nuclear en su núcleo. Durante esta etapa, estas protoestrellas se forman dentro de nebulosas protoestelares, que constituyen una clase propia de objeto extendido. A medida que la fusión se enciende en los núcleos de estos objetos y estos evolucionan hasta convertirse en estrellas completas, los discos que las rodean también evolucionan: pasando de discos circunestelares (discos alrededor de las estrellas) a discos protoplanetarios (discos donde se forman planetas) y, finalmente, a discos de escombros (discos de material polvoriento que persisten incluso después de que cese la formación planetaria). Todos estos son ejemplos adicionales de nebulosas y regiones nebulosas.

Por otro lado, también se pueden crear nebulosas y regiones nebulosas a partir de la evolución y muerte de estrellas. En el caso de las estrellas de baja masa, o estrellas que nacen con un material equivalente a entre ocho y diez masas solares, la evolución estelar es un proceso lento y gradual que conduce a muchas etapas nebulosas fascinantes.

A medida que una estrella consume el hidrógeno de su núcleo, este comienza a agotarse. Cuando esto sucede, el núcleo de la estrella se contrae, lo que provoca su calentamiento y crecimiento. Finalmente, el hidrógeno del núcleo central se agota por completo, dejando solo una capa de hidrógeno fundido alrededor del centro. A medida que la parte central de la estrella se contrae y se calienta, sus capas externas se expanden. Cuando el núcleo central se calienta lo suficiente como para iniciar la fusión de helio, las capas más externas de la estrella comienzan a ser expulsadas, o suavemente expulsadas, hacia el medio interestelar que la rodea. A medida que persiste la fusión del helio, se expulsan mayores cantidades de masa, que permanece suspendida en el entorno que rodea a la estrella.

Con el tiempo, la brillante estrella central comienza a iluminar la eyección, creando un objeto extenso conocido como nebulosa preplanetaria. (Algunos astrónomos veteranos aún la llaman nebulosa protoplanetaria, pero este término ha caído en desuso en las últimas décadas para evitar confusiones con el fenómeno del disco protoplanetario descrito anteriormente). Luego, cuando la estrella alcanza el verdadero final de su ciclo de vida, las capas externas remanentes se expulsan por completo y se calientan hasta ionizarse a medida que el remanente central del núcleo se contrae y se convierte en una enana blanca caliente. Se forma entonces una verdadera nebulosa planetaria: el estado final de las estrellas similares al Sol, hasta donde sabemos.

Además, existen las nebulosas resultantes de cataclismos estelares, o eventos violentos que desencadenan la destrucción de una estrella o un remanente estelar. Cuando una estrella suficientemente masiva llega al final de su ciclo vital, por ejemplo, no se limita a desprender suavemente sus capas externas mientras su núcleo se contrae y se calienta. En cambio, cuando el núcleo de la estrella se contrae una vez agotadas sus reservas de helio, continúa fusionando elementos aún más pesados: carbono en neón, neón en oxígeno, oxígeno en silicio y silicio en hierro, por ejemplo. Cuando se completa la fusión del silicio, el núcleo interno implosiona, lo que provoca una reacción de fusión descontrolada en las capas externas que desencadena una supernova. Si bien el núcleo puede dejar una estrella de neutrones o un agujero negro, el resto de la estrella, que generalmente corresponde al 80-90% de la masa inicial total, se convierte en su propio tipo de nebulosa: un remanente de supernova.

Otros cataclismos estelares también pueden producir remanentes estelares. Las kilonovas, por ejemplo, se producen cuando dos estrellas de neutrones colisionan. No solo pueden producir explosiones de rayos gamma, sino que también pueden dejar remanentes extensos que no solo son ricos en elementos pesados, sino que se cree que constituyen el mecanismo dominante para producir los elementos más pesados ​​de todos los que se encuentran en la naturaleza. Los eventos de disrupción de marea resultan de la fragmentación de objetos masivos, como estrellas, al pasar demasiado cerca de un agujero negro. Estos también pueden producir remanentes extensos y nebulosos. Y, por último, las colisiones de enanas blancas —un mecanismo diferente para la creación de supernovas— también pueden crear remanentes de supernova, aunque en este caso no queda ninguna estrella de neutrones, agujero negro ni ningún tipo de objeto estelar colapsado.

Finalmente, existe un nuevo y emocionante tipo de nebulosa que los astrónomos descubrieron hace apenas dos décadas: las nebulosas de flujo integrado. Mientras que la mayoría de las nebulosas de la Vía Láctea son el resultado de acumulaciones gaseosas de materia iluminadas o calentadas por fuentes compactas de energía, ya sea externa o interna, se comportan como cirros galácticos, iluminados por la energía combinada (es decir, el flujo integrado) de todas las estrellas de la Vía Láctea. Estas nebulosas de flujo integrado son increíblemente tenues; en lugar de aparecer prominentemente a través de un telescopio, requieren (al menos) horas de observaciones de larga exposición para ser detectadas y vistas.

Sin embargo, estas nebulosas son muy reales, ya que las campañas de larga exposición han revelado que su composición está compuesta principalmente por partículas de polvo, átomos de hidrógeno y moléculas de monóxido de carbono, junto con otros compuestos. Por razones que aún no se comprenden por completo, estas nebulosas de flujo integrado son particularmente prominentes cerca de los polos celestes norte y sur, y se encuentra una hermosa nebulosa rodeando a la Estrella Polar: Polaris.

Aunque las nebulosas presentan una enorme variedad de formas, colores, temperaturas y composiciones, además de provenir de una gran variedad de fuentes, todas tienen algo en común: distribuciones de materia extensas, difusas y gaseosas (y/o polvorientas, y/o ionizadas). Son más que simples estrellas y conjuntos de estrellas; son mucho más que simples objetos compactos y autoluminosos. Son nubes que pueden ser calientes o frías, neutras o ionizadas, reflectantes o absorbentes, o incluso radiativas.

Y lo que resulta notable es que, a pesar de todos los diferentes tipos de nebulosas que conocemos, esta lista podría no ser exhaustiva. Muchas galaxias, especialmente en el universo temprano, están formando estrellas tan rápidamente que toda la galaxia se comporta como una nebulosa de emisión: una característica que se encuentra normalmente en las regiones de formación estelar y que puede aplicarse a toda la galaxia durante un brote estelar. Los agujeros negros activos producen gas, chorros y flujos de salida, y algún día podrían considerarse nebulosas en sí mismas. Y es posible que los halos de gas que se encuentran en los confines de las galaxias, el medio circungaláctico, sean inevitablemente nebulosas en sí mismos.

Aunque hemos avanzado muchísimo en nuestra comprensión del Universo, es muy probable que existan nuevas clases de objetos extensos, difusos y nebulosos esperando ser descubiertos.