Descubren cómo se forma el polvo cósmico de las estrellas gigantes rojas

El polvo cósmico es uno de los ingredientes fundamentales del universo. Aunque a priori pueda parecer un componente menor, estas diminutas partículas sólidas desempeñan un papel crucial en la evolución de galaxias, en la formación de estrellas y planetas y en la química del medio interestelar.

En una investigación reciente, se ha conseguido demostrar el papel clave del hidrógeno en la formación del polvo cósmico de gigantes rojas, estrellas de masa baja o intermedia en el final de su vida. El hallazgo tendrá importantes repercusiones en la astrofísica.

El estudio se ha liderado desde el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) y desde el Instituto de Estructura de la Materia (IEM), ambas instituciones adscritas al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en España. El trabajo también ha contado con la participación de otros centros del CSIC: el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón, el Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros y el Instituto de Física Fundamental, así como de dos instituciones francesas: el Instituto de Investigación en Astrofísica y Planetología (IRAP) y la Universidad de Toulouse.

El equipo lo han integrado, entre otros, José Ángel Martín-Gago (director del ICMM), Guillermo Tajuelo-Castilla (del ICMM) y Gonzalo Santoro (del IEM). Los tres figuran entre los autores principales del estudio.

Los resultados se han obtenido gracias a la máquina STARDUST del CSIC, una instalación singular única en el mundo, diseñada para producir análogos de polvo cósmico en condiciones controladas.

Los investigadores explican que, pese a su relevancia, “el mecanismo atomístico en la nanoescala que conduce a la formación de estos granos ha venido siendo, en gran medida, un problema abierto en astrofísica”. Sí se conoce dónde se origina la mayor parte de este polvo cósmico: en las atmósferas de estrellas evolucionadas ricas en carbono, las conocidas comúnmente como gigantes rojas. “En estos entornos se forman granos de polvo que, en el tipo de estrella que nosotros simulamos en el laboratorio, están compuestos principalmente por carbono amorfo y carburo de silicio”, agrega Santoro.

En el enfoque del estudio, se han combinado astroquímica experimental, espectroscopía, microscopía electrónica y modelización teórica. Mención aparte merecen los experimentos realizados con STARDUST, diseñada para reproducir las condiciones de las atmósferas de las gigantes rojas en el laboratorio con un grado de control sin precedentes.

Gracias a STARDUST, en el laboratorio se han logrado reproducir algunas de las condiciones químicas presentes en las capas internas de las envolturas circunestelares de estrellas ricas en carbono. “Hemos investigado la interacción entre carbono atómico, silicio atómico e hidrógeno molecular, tres de las especies más abundantes en estas estrellas”, continúa Martín-Gago. Con la máquina STARDUST, los autores del estudio generaron nanopartículas análogas a las que se forman en las primeras etapas del crecimiento del polvo en el espacio y, tras analizarlas con técnicas de microscopía electrónica y espectroscopía, pudieron observar la formación de nanopartículas de carburo de silicio parcialmente hidrogenado, junto con partículas de carbono amorfo e incluso silicio hidrogenado.

El resultado más relevante de este trabajo es la demostración del papel del hidrógeno como “promotor de la formación de granos de carburo de silicio” continúa Santoro. El estudio demuestra que cuando la densidad de hidrógeno molecular es alta, el carbono y el silicio interaccionan mucho más que cuando no hay hidrógeno, ya que este inicia una cadena de reacciones químicas.

El trabajo también demuestra que la molécula de dicarburo de silicio (SiC2), que se ha observado en gigantes rojas, es la molécula precursora del polvo cósmico de carburo de silicio, lo que hasta ahora solo era especulación, tal como apuntan los investigadores. José Ignacio Martínez, también del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid y participante en el trabajo, explica que en el estudio ha resultado decisiva, además de los experimentos, la modelización teórica del proceso, ya que esta ha permitido entender el papel del hidrógeno.

Este resultado tiene importantes implicaciones astrofísicas, ya que observaciones astronómicas previas habían observado que esas moléculas de dicarburo de silicio disminuían conforme se formaban los granos de polvo. Ahora, este estudio sugiere una explicación: que esta molécula “se incorpora eficientemente al material sólido”.

Nanopartículas individuales de carburo de silicio, vistas mediante microscopía electrónica de alta resolución. (Imagen: CSIC)

Más allá del claro interés astrofísico, el equipo de STARDUST se muestra especialmente orgulloso: “el trabajo ilustra cómo la astroquímica de laboratorio permite conectar procesos nanoscópicos con fenómenos cósmicos a gran escala”, celebra Martín-Gago. “La eficiente combinación de experimentos controlados, técnicas avanzadas de caracterización y modelización teórica abre nuevas vías para comprender cómo se forman los granos de polvo que, millones de años después, acabarán formando parte de planetas, meteoritos o incluso de la materia que compone nuestro propio sistema solar”, concluyen los investigadores.

El estudio se titula “The Significant Role of Hydrogen in the Formation of Silicon Carbide in Evolved Stars”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Astronomy. (Fuente: ICMM / CSIC)