Cómo medimos el tamaño de una estrella a miles de años luz

Hay estrellas con diámetros de varios millones de kilómetros que por su grandísima distancia no son más que puntos aunque las observemos a través de nuestros telescopios más potentes. En esos casos, ¿qué trucos utilizamos para determinar el tamaño de una estrella cuando no podemos medirlo directamente?

Las estrellas son bolas gigantescas de gas cuyo interior está sometido a una presión tan grande que la temperatura aumenta hasta permitir la fusión de núcleos de hidrógeno de forma continuada en el tiempo, durante unos millones de años para las estrellas más masivas y durante millones de millones de años para las menos masivas. Y a pesar de tener diámetros que superan el millón de kilómetros no son más que diminutos puntos tal y como los vemos desde la Tierra. No solo eso, sino que incluso con los telescopios más potentes, tan solo unas pocas estrellas dejan de ser meros puntos y ganan algo de tamaño. El resto están demasiado lejos, son demasiado pequeñas o ambas.

Es este minúsculo tamaño aparente precisamente el causante de la principal diferencia entre una estrella y un planeta cuando los observamos a simple vista: las estrellas titilan pero los planetas no. Esto es porque, al estar millones de veces más cerca, los planetas no son un solo punto de luz, sino que tienen un cierto tamaño angular. Forman un disco en vez de un punto. Cuando la luz de una estrella atraviesa la atmósfera, se ve desviada por las partículas que en ella flotan y por las diferencias de temperatura y densidad del aire. Al ser un punto, sin tamaño aparente, esta deformación causada por la atmósfera hará que a veces nos llegue la luz de la estrella y a veces no, o hará que esta luz nos llegué de puntos ligeramente distintos. Para los planetas en cambio, cuando una parte del disco que forman se vea afectada por las perturbaciones, habrá otra parte que no lo esté, de forma que aunque esta pueda variar en un cierto rango, siempre habrá una cierta cantidad de luz y una cierta forma que llegue hasta nuestras retinas o telescopios.

Como decíamos, algunas estrellas están lo suficientemente cerca y son lo suficientemente grandes como para que podamos medir su tamaño de forma directa. Uno de los ejemplos más famosos sería el de la estrella Betelgeuse, una estrella rojiza situada en la constelación de Orión, ocupando concretamente el hombro izquierdo del mítico guerrero. Utilizando una técnica conocida como interferometría de moteado (speckle interferometry en inglés) puede obtenerse una imagen directa de la superficie de esta y otras estrellas. Esta técnica consiste en la toma de muchas exposiciones cortas, demasiado breves como para que las turbulencias de la atmósfera terrestre distorsionen cada imagen demasiado, que se combinan para formar una imagen de alta resolución. En algunos casos los resultados alcanzan tal nivel de detalle que hasta se pueden discernir algunas estructuras de la superficie de la estrella en cuestión. 

Betelgeuse
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/E. O’Gorman/P. Kervella | Fotografía de la estrella Betelgeuse

Con la mejora constante de las técnicas de óptica adaptativa, cada vez es más factible combinar las imágenes individuales en tiempo real, permitiendo imágenes todavía más detalladas de la superficie de estas estrellas. De esta forma podemos averiguar el tamaño angular de dicha estrella, es decir qué porcentaje del cielo ocupan,y con usando la distancia podemos entonces obtener su tamaño real, su diámetro. Con todo esto hoy sabemos que Betelgeuse está en torno a 550 años luz de distancia del Sol y tiene un radio unas 750 veces superior al de nuestra estrella. Pero Betelgeuse es la excepción y con la grandísima mayoría de estrellas no podemos hacer mediciones directas de su tamaño. Por ello se utilizan métodos indirectos. 

La radiación emitida por una estrella viene dada por la Ley de Stefan-Boltzmann que nos dice que la energía emitida por unidad de superficie de la estrella aumenta proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. Por tanto su luminosidad total vendrá dada por la energía radiada por toda su superficie, de forma que dependerá del radio de dicha estrella y de su temperatura. Puesto que la luminosidad podemos medirla directamente con nuestros detectores y que la temperatura vendrá dada por la correspondiente a un cuerpo negro, podremos obtener el tamaño (al menos de forma aproximada) de una estrella tan solo observando su luz y analizándola.

Con esta relación hemos podido conocer el tamaño de la mayoría de estrellas para las que tenemos este dato. Si por ejemplo estamos observando una estrella roja y por tanto con una temperatura menor que la del Sol y conocemos su distancia por algún otro método, podremos medir su luminosidad y con ello averiguar su radio. Esto nos permitirá distinguir entre las enanas rojas como Pŕoxima Centauri, que orbita a poco más de 4 años luz y tiene un tamaño comparable al de Júpiter y estrellas gigantes rojas como Arcturus, situada en la constelación del cochero a unos 37 años luz y con un radio 23 veces el del Sol y entre las estrellas supergigantes rojas como Betelgeuse, que como comentábamos antes está a unos 550 años luz de distancia y tiene un radio 750 veces el de nuestra estrella. 

También nos permite entender la increíble diferencia entre las enanas rojas y blancas, pues aunque ambas tengan tamaños comparables al de algún planeta, su origen y mecanismo interno son muy diferentes. Las enanas rojas tendrán masas de un porcentaje de la masa del Sol, un color rojizo y una temperatura en superficie de apenas 3 000 K mientras que las enanas blancas tendrán masas similares a las del Sol, un color blanco o azulado y temperaturas que superarán los 20 000 K.

Referencias:

Dolan, Michelle M. et al, 2017, "Evolutionary Tracks for Betelgeuse". The Astrophysical Journal. 819 (1), doi:10.3847/0004-637X/819/1/7

Eric Chaisson, Stephen McMillan, 2017, Astronomy Today, Prentice Hall

José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

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