Protocolo de investigación
Antecedentes
1.1 Resumen
En este trabajo de investigación se aborda el tema de la interacción de estrellas masivas con su medio ambiente. Esta interacción puede ser por dos caminos: 1) la estrella inyecta energía mecánica, a través de sus vientos estelares, continuamente al medio circundante (también nombrado medio interestelar); 2) de manera instantánea al explotar como supernova (explosión de una estrella masiva al final de su evolución). Estos vientos estelares y explosiones de supernova generan ondas de choque que se propagan en el medio interestelar (MIE).
Estas ondas de choque barren y calientan el MIE formando nebulosas (también llamadas burbujas interestelares) las cuales están constituidas de gas caliente que emite en rayos X. Estos fuentes astrofísicas pueden ser observadas con observatorios satelitales como el CHANDRA (satélite de EU) Y XMM-Newton (satélite perteneciente a la comunidad europea) los cuales se especializan en la detección de objetos que emiten en rayos X.
En la actualidad, un tema controversial para la astronomía es el estudio de las nebulosas. No hay compatibilidad entre las observaciones y las teorías que predicen las morfologías y luminosidades en rayos X de estos objetos. Un camino para resolver este problema son las simulaciones numéricas. Estas emulan la evolución dinámica y térmica de estos objetos. De la comparación entre resultados de estas simulaciones numéricas con datos observacionales podemos inferir los parámetros físicos importantes que determinan la evolución de estas nebulosas—estas pueden ser: campos magnéticos, conducción térmica, densidades homogéneas e homogéneas del medio interestelar, entre otros---.
De esta manera, las simulaciones numéricas son una herramienta importante para sugerir modificaciones a la teoría y así esta sea compatible con las observaciones de estas nebulosas. El objetivo de este trabajo de investigación es realizar un estudio observacional y numérico de estas burbujas interestelares, en particular las burbujas: NGC 6888, RCW 120 y N120.
1.2 Introducción
Las estrellas masivas (éstas tienen alrededor de 40 veces la masa del sol) interactúan con el medio interestelar (MIE), transfiriendo masa, energía y momentum a éste por medio de vientos estelares, fotoionización y explosiones de supernova (estas explosiones se generan al final de la vida de una estrella masiva). Las cavidades generadas por el viento estelar al interactuar con el MIE se le nombra burbujas interestelares; para las supernovas, las cavidades se les nombra remanentes de supernova.
Existen modelos teóricos acerca de estas interacciones; estrellas masivas con su medio ambiente. El modelo más citado para las burbujas es el de Weaver et al. (1977), en él se describen dos ondas de Choque que determinan la evolución de la burbuja: un choque interno y otro externo. El choque externo barre el medio interestelar creando una capa densa con temperatura de 10000 K; el choque interno eleva material del viento estelar a temperaturas mayores a 1000000 K, a estas temperaturas un plasma emite en rayos X. Es decir, el modelo predice regiones de gas caliente (temperaturas aproximadas a 1000000 K) que emiten en rayos X las cuales están contenidas en cascarones de gas que emiten en el óptico (temperaturas aproximadas a 10000 K).
Esta emisión de rayos X de burbujas interestelares no habían podido ser detectadas de forma rotunda hasta el lanzamiento de observatorios espaciales (estos deben ser satélites debido a que la atmosfera absorbe a los rayos X). Con los satélites de la última generación—CHANDRA y XMM-Newton---se han realizado observaciones detectando la emisión de rayos X de estos objetos.
La Nube Mayor De Magallanes, nuestra galaxia vecina, es un excelente laboratorio para el estudio de la emisión de rayos X de estos objetos, por su cercanía y baja extinción en rayos X. De resultados observacionales de burbujas en esta galaxia ---con los satélites ROSAT, EINSTEIN, Chandra , XMM-NEWTON y SUZAKU--- se concluye que las luminosidades de estos objetos difieren con las predichas por el modelo analítico (W77). Trabajos relevantes que abordan esta controversia son: Rosado et al. (1981); Rosado et al. (1982) y Oey (1996).
Una manera de abordar esta incompatibilidad entre observaciones y modelos analíticos es realizando simulaciones numéricas. En la actualidad con los avances en la tecnología computacional las simulaciones numéricas son una herramienta recurrida en varias áreas de la ciencia y tecnología (ciencias de la tierra, astronomía, ingenierías aeronáutica, automotriz, entre otras). El código hidrodinámico que emplearemos para realizar las simulaciones numéricas es el IGUAZU—Raga et al (2000), Raga et al (2002)--; éste código resuelve las ecuaciones de la dinámica de gases con el método de “flux vector splitting” de van Leer (1982), así como también resuelve un sistema de ecuaciones para la evolución de especies atómicas/iónicas y moleculares empleados para generar una función de enfriamiento. Este programa de simulación numérica se caracteriza por tener una malla adaptiva, es decir emplea mayor resolución espacial en aquellas zonas que lo requieran (zonas de fuertes gradientes de las cantidades físicas tales como la presión, velocidad, densidad y temperatura), como por ejemplo en regiones en donde se producen choques entre las ondas expansivas y el MIE.
Los objetos astrofísicos que proponemos estudiar en este proyecto son las burbujas interestelares galácticas NGC 6888 y RCW 120. La burbuja NGC 6888 es una de las más estudiadas por muchos años en varias longitudes de onda entre ellas la emisión de rayos X ---Wrigge et al. (1994); Wrigge et al. (2005); Chu et al. (2006); Zhekov & Park (2011) y Toala et al. (2014)---. Por lo que nuestros trabajos numéricos se basaran de resultados observacionales de estos trabajos. Observaciones indican que esta burbuja no tiene una emisión homogénea e isotrópica como lo predice la teoría de Weaver et al. (1997). A esta burbuja la clasifican como “limb-brightened” para referirse a que su emisión es más brillante en un lado que el otro (similar a una media luna). Existen trabajos numéricos acerca de esta burbuja ---García-Segura et al (2005 )-- que no han podido reproducir la morfología de NGC 6888. Nosotros contamos con modelos numéricos de esta burbuja en el que suponemos que la estrella que genera a NGC 6888 es una estrella runaway (es decir una estrella que se mueve a través del MIE), este movimiento provoca un bow-shock lo cual explicaría la morfología “limb-brightened”. Hasta el momento estas simulaciones han arrojado buenos resultados por lo cual este proyecto es prometedor. Para el caso de la burbuja RCW 120 contamos con datos del observatorio espacial CHANDRA, estos datos están en la fase de reducción. El trabajo observacional y numérico de esta burbuja será original ya que no hay trabajos previos.
Este trabajo de investigación será dual, es decir, observacional y numérico por lo que los resultados serán completos para el entendimiento de las partes dinámica y térmica de estas burbujas.
Objetivos y metas
El objetivo de este trabajo de investigación es realizar un estudio observacional y numérico de estas burbujas interestelares, en particular las burbujas: NGC 6888, RCW 120 y N120.
Se harán tesis de licenciatura con estudiantes que participen en el proyecto, estos estudiantes tendrán una nueva brecha de estudio e investigación para hacer tecnología debido a que las simulaciones numéricas estudiadas se pueden aplicar a nuevos campos de conocimiento como lo son la ingeniería aeronáuticas, automotriz, computo y ambiental.
Las metas serán las siguientes:
Se publicaran dos artículos, resultados de nuestra investigación, en revistas prestigiadas a nivel internacional en el área de la astrofísica.
Se reforzará la sala de cómputo con nuevas computadoras adquiridas con recursos concedidos a este proyecto de investigación.
Se obtendrán tesis a nivel licenciatura productos de este proyecto de investigación.
Metodología
Se tomaran--- de la base de datos de los observatorios satelitales--- datos observacionales de los objetos NGC 6888, RCW 120 and SNR. Con las técnicas de reducción de datos utilizando los software CIAO (para Chandra) y SAS (para XMM-newton), ver bibliografía, se obtendrán resultados acerca de sus propiedades térmicas y dinámicas. Estas son: Tamaños, flujos, luminosidades, densidad y temperatura del gas emisor de rayos X. Con datos en el óptico de estos objetos podemos conocer la dinámica de estos objetos, es decir la velocidad de expansión del gas en el medio interestelar.
Con la información obtenida observacionalmente quedaran restringidas las condiciones iniciales de nuestro modelado numérico para estos objetos astrofísicos. El código
hidrodinámico empleado para hacer las simulaciones numéricas de los objetos propuestos para investigar en este proyecto es el YGUAZU (ver bibliografía). Resultados de estas simulaciones numéricas se compararan con resultados observacionales para dar un juicio sobre las teorías analíticas de estos objetos.
1.5 Infraestructura disponible El trabajo de investigación se realizará en tres lugares:
En el instituto de Astronomía se colaborará en la teoría y observaciones con la Dra. Margarita Rosado ( Investigadora del IA-UNAM).
En el Instituto de Ciencias Nucleares se modelaran simulaciones numéricas de los objetos astrofísicos a estudiar con la colaboración de Pablo Velázquez (investigador del ICN-UNAM). Se correrán simulaciones numéricas (vía conexión de internet ) y reducciones de datos de los satélites XMM-Newton y Chandra en la sala de computo del Tecnológico de estudios superiores de Tianguistenco. En colaboración con Jorge Reyes Iturbide (Profesor de tiempo completo del TEST y SNI I).
