Be stars: the oldest enigma in stellar astrophysics. Be stars are a peculiar type of massive star surrounded by a circumstellar disk of ionized gas ejected from the star. Although they have been recognized as a subclass of variable stars for a whole century, the cause of their irregular episodes of enhanced mass loss (the so called «Be phenomenon») remain a mystery. The authors comment on a number of explanations that have been put foward.
El ràpid desenvolupament actual dels mètodes i de les tècniques d’observació en astronomia permet l’estudi d’objectes cada vegada més dèbils i llunyans, i dóna lloc a nombrosos descobriments de fenòmens l’existència dels quals ni tan sols se sospitava. Molts d’ells posen a prova les teories i els models físics que descriuen la naturalesa dels astres i els processos que hi tenen lloc. Això no obstant, no tots els problemes oberts a què s’enfronten els astrònoms tenen el seu origen en les observacions recents. El que ens ocupa es remunta als inicis de l’astrofísica com a disciplina diferenciada dins de l’astronomia. Es tracta d’un tipus peculiar d’estels, els anomenats estels Be. El primer estel Be conegut, gamma Casiopeiae és perfectament visible a ull nu, i va ser identificat com a tal l’any 1866 per un dels pioners de l’espectroscòpia estel·lar, el pare Angelo Secchi. Des de llavors han transcorregut més de 120 anys, i encara és molt poc el que es coneix sobre la naturalesa d’aquests astres.
«És necessari prosseguir l’esforç d’observació i d’elaboració teòrica per comprendre de manera definitiva la natura dels estels Be»
En el llenguatge de la classificació espectral, s’assigna el tipus «B» a estels amb una temperatura superficial compresa entre 10.000 i 30.000 graus Kelvin. Per comparació, recordem que la temperatura superficial del Sol és de 5.700 graus Kelvin. La massa d’un estel B és, llevat de casos excepcionals, entre 2,5 i 20 vegades superior a la massa del Sol. El sufix «e» fa referència a una anomalia en l’espectre: les línies espectrals es troben en emissió.
Als estels normals, les línies espectrals apareixen sempre en absorció. En el paràgraf anterior ens hem referit a la temperaura en la superfície de l’estel, quan és ben sabut que els estels són esferes de gas que no tenen cap superfície sòlida. Quan es parla d’estels se sol associar el terme superfície a la regió que amb més propietat es denomina fotosfera. És una regió de transició en la qual el material que compon l’estel passa de ser opac a transparent per a la radiació electromagnètica, i per tant és la regió de la qual ens arriba la pràctica totalitat de la llum que rebem de l’estel. La llum que abandona la fotosfera té un espectre continu. Quan travessa les capes més exteriors, l’atmosfera de l’estel, pateix una absorció selectiva provocada pels àtoms i molècules presents en aquesta atmosfera, procés que dóna lloc a les línies espectrals en absorció que se superposen a l’espectre continu fotosfèric.
Espectre de dos estels de tipus B. El superior presenta el fenomen Be.
La presència en un espectre estel·lar de línies en emissió implica l’existència en l’atmosfera o fora d’ella de matèria a la qual se subministra energia no tèrmica. En el cas dels estels Be, les línies en emissió es formen en un disc de matèria circumestel·lar amb un radi unes quantes vegades superior al de l’estel mateix, i amb una composició similar a la de l’atmosfera estel·lar. La radiació ultravioleta procedent de la fotosfera excita els àtoms del disc, que quan es desexciten produeixen les línies d’emissió observades.
La presència de discos circumestel·lars és molt comuna en estels en formació o protoestels. Aquests discos constitueixen restes del núvol de gas que va col·lapsar per formar l’estel, i se suposa que és en ells on es formen els sistemes planetaris. Durant el procés de formació estel·lar el material que compon el disc acaba caient sobre l’estel, de manera que als estels ja formats els manca el disc. D’aquesta mena de discos se’n diu discos d’acreixement. En el cas dels estels Be la situació és diferent. El disc circumestel·lar no és d’acreixement, sinó que és format per matèria ejectada pel mateix estel. Es tracta, per tant, d’un disc de decreixement. No es tracta d’un disc estàtic, sinó que la matèria que el compon es va dissipant en l’espai per la seua part més externa, mentre que en la part interna es va alimentant amb nova matèria aportada des de l’estel. En aquest sentit el disc es pot entendre com un fluix de vent estel·lar de velocitat lenta en l’equador de l’estel. Els mecanismes tant d’aportació de matèria com de dissipació són altament inestables, de manera que el disc varia contínuament de dimensions i densitat. En alguns estels s’ha observat la desaparició completa del disc i la seua regeneració posterior al cap d’alguns mesos o anys. Durant la fase de pèrdua del disc l’estel Be es converteix en un estel B sense cap anomalia.
El model de disc circumestel·lar descrit permet explicar la pràctica totalitat de les observacions, i és per tant majoritàriament acceptat per la comunitat científica. De fet, en els darrers anys s’han obtingut imatges d’estels Be propers, mitjançant tècniques d’interferometria òptica, en les quals la presència del disc circumestel·lar és palesa. No obstant això, es tracta d’un model ad hoc, donat que no es coneix cap mecanisme físic que permeta explicar el procés de formació del disc ni la fenomenologia que s’hi associa. Se sap que almenys el 10% dels estels de tipus B són Be. Per tant, els estels Be constitueixen el darrer gran grup d’estels variables amb uns mecanismes físics responsables de la variabilitat que ens resulten desconeguts.
«L’estel no naix essent Be, sinó que és un fet que li succeeix aproximadament cap a la meitat de la seu vida»
Els esforços encaminats a entendre el fenomen Be han estat i continuen essent nombrosos. Se sap que una característica comuna dels estels Be és l’alta velocitat de rotació. Si aquesta superara la velocitat de ruptura, que és aquella per a la qual la força centrífuga en l’equador iguala la força gravitatòria, la matèria eixiria de l’estel. Tanmateix les velocitats de rotació mesurades arriben com a màxim al 80% de la velocitat de ruptura. L’alta velocitat de rotació, per tant, deu representar un paper important en el mecanisme d’ejecció de matèria, però no en pot ser l’única causa.
En el passat es va considerar que el fenomen Be podia correspondre a una fase concreta en el procés evolutiu d’un estel B. Es va observar que alguns estels Be es trobaven al final de la seua vida com a estels de la «seqüència principal», és a dir, estels en el nucli dels quals la reacció nuclear fonamental per a la producció d’energia és la transformació de l’hidrogen en heli. Aquesta fase constitueix aproximadament el 90% de la vida de l’estel. L’etapa de seqüència principal acaba amb una ràpida contracció del nucli d’heli que queda com a residu de la combustió de l’hidrogen, que va acompanyada d’una ràpida expansió de les capes més exteriors de l’estel. No obstant això, el fet que posteriorment s’hagen trobat nombrosos estels Be en estats evolutius molt diferents del descrit ha fet perdre credibilitat a la hipòtesi evolutiva com a explicació del fenomen Be.
En els últims anys, observacions molt acurades han permès detectar fenòmens de variabilitat associats no ja al disc circumestel·lar, sinó a la fotosfera de l’estel. S’ha pogut observar moviment de matèria eixint i caient sobre la superfície estel·lar, i també núvols o blocs de matèria calenta fixos en l’atmosfera. Això sembla reproduir els fenòmens associats a l’existència de camp magnètic proper a la superfície. En el Sol s’observen de manera habitual tubs de fluix magnètic que emergeixen de la superfície, sobre la qual formen grans arcs. Pel seu interior circula material procedent de capes inferiors. De vegades els tubs magnètics es trenquen i llancen a l’espai la matèria del seu interior.
La hipòtesi magnètica presenta, tanmateix, importants dificultats teòriques i observacionals. Els intents observacionals per a mesurar camps magnètics en estels Be han donat fins ara resultats negatius. Això, però, no planteja un problema greu, perquè podria donar-se l’existència de camps magnètics localment intensos, però que es compensen sobre tota la superfície estel·lar i donen lloc a un camp magnètic global per davall del límit de detecció observacional.
Les objeccions teòriques són més difícils de defugir. La presència de camps magnètics capaços d’injectar matèria en l’atmosfera estel·lar –o fins i tot fora d’ella– és un fenomen comú en estels de massa similar a la del Sol. En aquests estels, l’energia generada en el nucli es transporta fins la superfície per convecció, és a dir, per moviment de matèria calenta que des de capes profundes emergeix a la superfície, es refreda i torna a descendre, fenomen que dóna lloc a un moviment, i per tant a corrents elèctrics. Aquests corrents al seu torn es mouen per efecte de la rotació de l’estel i generen per tant un camp magnètic de manera similar al que succeeix en una dinamo. De fet, el mecanisme que acabem de descriure es coneix en astrofísica com a model o efecte de dinamo.
En els estels més massius, i en particular en els de tipus B, l’energia es transporta a la superfície de manera radiativa. Això implica que no hi ha moviment de matèria, i que és la radiació electromagnètica la que trasllada l’energia de l’interior a la superfície. Per tant no hi ha cèl·lules de convecció, i no actua l’efecte dinamo. No hi ha cap mencanisme alternatiu conegut per a generar i mantenir un camp magnètic en un estel amb transport d’energia radiatiu. S’ha especulat amb la possibilitat que els estels Be podrien tenir un camp magnètic primordial, és a dir, capturat del camp magnètic de la galàxia en el procés de formació de l’estel. Si aquest fóra el cas, el camp hauria d’estar ordenat globalment i hauria de ser detectable, cosa que, com acabem d’exposar, no succeeix.
Alguns estels Be són membres de cúmuls oberts, conjunts de centenars o de milers d’estels que s’han format alhora i en la mateixa regió de l’espai, i que continuen units per efecte de la gravetat. Com a part del nostre treball dels darrers anys en aquest camp hem estudiat l’abundància d’estels Be en cúmuls en funció de l’edat del cúmul. Hem trobat que els cúmuls molt joves, d’edat inferior a 10 milions d’anys, no contenen estels Be. A partir d’aquesta edat, els estels Be comencen a aparèixer, i s’arriba a una abundància màxima, que arriba a superar el 30% dels estels B en el cúmul, cap als 20 milions d’anys. Per comparació, la vida dels estels B més massius en la seqüència principal és d’uns 40 milions d’anys.
«No tots els problemes oberts a què s’enfronten els astrònoms tenen el seu origen en les observacions recents»
Aquest resultat apunta de nou cap a una hipòtesi evolutiva. El fenomen Be no és inherent a l’estel –l’estel no naix essent Be– sinó que és un fet que li succeeix aproximadament cap a la meitat de la seu vida en la seqüència principal. Aquesta conclusió xoca frontalment amb la teoria clàssica de l’evolució estel·lar, que postula que la fase de seqüència principal és un període tranquil i apacible, en el qual no té lloc cap canvi de consideració en l’estructura de l’estel.
No obstant això, resultats d’altres investigacions recents també fan suposar que la teoria clàssica de l’evolució necessita ser revisada. S’ha trobat, en estels de massa superior a sis vegades la del Sol, que a la meitat de la seua vida en la seqüència principal l’abundància d’heli i d’altres elements s’incrementa sobtadament en un factor dos. L’efecte és més notori en estels amb rotació ràpida. Això no es pot donar en un estel en què l’energia es transporta per radiació. L’heli i d’altres elements se sintetitzen al nucli per mitjà de les reaccions nuclears que s’hi esdevenen, i si no hi ha moviment de matèria –convecció– no poden aflorar a la superfície. Al contrari, l’augment en l’abundància d’aquests elements en la superfície implica que necessàriament s’han de produir moviments de matèria, i mescla entre la matèria produïda en el nucli i les capes externes de l’estel.
Actualment s’elaboren nous models d’evolució que donen compte dels resultats observacionals descrits. Aquests models prenen en consideració mecanismes de mescla de matèria, induïts per la rotació de l’estel, durant l’etapa de seqüència principal. Si acceptem que en efecte es donen aquests moviments de matèria, i considerem la ràpida velocitat de rotació dels estels Be, tenim els dos ingredients bàsics perquè es done l’efecte dinamo, el que permetria l’existència de camps magnètics que al seu torn ejectarien matèria des de la superfície de l’estel i generarien i alimentarien el disc circumestel·lar.
Tot i que molt prometedors, els resultats exposats són encara preliminars i amb una component especulativa important. És necessari prosseguir l’esforç d’observació i d’elaboració teòrica per comprendre de manera definitiva la natura dels estels Be. Mundialment existeix una comunitat científica molt activa que dedica els seus esforços a la consecució d’aquest objectiu. En el mes de juny vinent els especialistes en la matèria es reuniran a Alacant en un congrés patrocinat per la Unió Astronòmica Internacional per discutir els darrers avenços i per planificar els esforços futurs que ens duguen a resoldre l’enigma més antic que encara perviu en l’astrofísica moderna.
