Campos magneticos
Para
Estrellas con planetas extrasolares
Por : Cristian Báez
1. Introducción
Desde hace miles de años que el hombre a observado el firmamento y se ha cuestionado
sobre dónde y hacia dónde vamos, los primeros en responder tan cuestionante pregunta le
dieron un carácter religioso
Pensando en que el cielo era el hogar de los dioses, controlando las lluvias, las plagas, el
día y la noche etc. Una vez inventado el primer telescopio por galileo en el año 1609, el
cual lo utilizo para observar la luna, el planeta Júpiter y las estrellas, el ser humano pudo
empezar a conocer la verdadera naturaleza de los objetos astronómicos que los rodean y de
nuestra ubicación en el universo.
Hoy a la fecha la observación astronómica esta en total vigencia creándose a nivel mundial
más de un centenar de observatorios. La importancia de observar las estrellas es
comprender un poco la evolución universo y poder encontrar sistemas planetarios como el
nuestro, en los cuales exista la posibilidad de albergar algún tipo de vida.
El catalogo actual de exoplanetas o más bien llamados planetas extrasolares va en mas de
300 de estos y su detección se ha transformado en algo rutinario, es a raíz de esto que nos
preguntamos, cuales son las características de las estrellas que los hospedan y porque
algunos de estos exoplanetas conocidos como Júpiter calientes , migran a orbitas muy
cerradas a su estrella. Los científicos creen que el campo
magnético revela la información necesaria para poder responder aquellas preguntas. Es por
lo anterior que la detección de estos campos se transforma en una tarea importante para los
astrónomos y ahun mas por la busqueda de vida en algun otro sistema planetario.
La existencia de campo magnético es una propiedad de la materia, derivada directamente
del hecho de que las partículas presentan carga. Existen campos magnéticos como el
generado por un imán otros como el que tiene nuestro planeta Tierra, o el que presenta el
Sol. Ya sea a menor escala o a
escala interplanetaria, un campo magnético tiene la capacidad de afectar a partículas u
objetos que se desplazan a determinada velocidad y reorientar su desplazamiento.
Desarrollo:
La gran mayoría de los objetos astronómicos observables se cree que poseen campos
magnéticos. Esto es debido a la radiación de ciclotrón generada por partículas cargadas,
como los electrones, los cuales se mueven en una trayectoria curva a alta velocidad en un
campo magnético.
El campo magnético tiene directa relación con la temperatura y la cantidad de energía que
libera la estrella. Una estrella en su secuencia principal (fase en que una estrella quema
hidrógeno en su núcleo mediante fusión nuclear) genera un campo magnético gracias al
movimiento del plasma conductivo, el cual se forma dentro de la forma convectiva de la
estrella funcionando como una dinamo, con lo que destruye el campo magnético primordial
dando paso a uno bipolar.
La formación de manchas solares formadas por la rotación diferencial de la estrella, son
zonas de gran actividad magnética que se sitúan en la superficie de esta, por lo general
seguidas de la formación de anillos coronales que son proveniente de las líneas de campo
magnético que se han extendido dentro de la corona solar. La actividad superficial de la
estrella devela datos importantes tales como la edad y la rotación de esta, por ejemplo, las
estrellas jóvenes con un índice de rotación elevado muestran una fuerte actividad magnética
en desmedro para las estrellas con edad media, como la del sol, con una media actividad
magnética y una rotación inferior a la anterior.
El campo magnético puede ser medido por medio del efecto Zeeman , que es el vehículo
por el cual los astrónomos atreves de un espectropolarizador (instrumento astronómico que
consiste en un espectrógrafo combinado con un polarímetro) miden el campo.
El entendimiento de tal efecto es importante para comprender los fenómenos que están
sucediendo en las estrellas observadas, ya que gracias a este se puede determinar la fuerza y
dirección del campo magnético, es por esto que se dará una breve explicación con el
propósito de crear un mejor entendimiento analítico de los fenómenos trabajados en el
ensayo actual.
2.1 Efecto Zeeman, teoría semi clásica:
Consideremos el “momento magnético” asociado al momento angular orbital de un
electron:
μL=-e2mcL
(2.2)
Cuando se lo somete a un campo magnético que forma un ángulo α con al normal del plano
en donde gira el electrón, este experimentara un torque τ=μL×B, y si consideramos que
μB=eh2mc y se toma a, L=hl(l+1) , entonces la magnitud del torque es:
τ=μBl(l+1)Bsin(α)
(2.3)
Luego la, la energía empleada, EB, para pasar de una posición angular ∝0=π2 a otra
posición arbitraria α en presencia del campo magnético externo BB(dirigido a lo largo del
eje Z) es entonces:
E=π2αdαμBl(l+1)Bsin(α)
∆E=μBl(l+1)Bcos(α)
(2.4)
Pero se sabe que cos∝=LzL=mll(l+1) , entonces la ecuación anterior se puede reescribir
como:
∆EB=μBBml
(2.5)
Esto significa que a la energía En de un estado n del electron en el atomo de hidrogeno hay
que añadirle una energía ∆EB , lo cual produce un desdoblamiento de los niveles
degenerados.
Observemos la siguiente figura:
Con la explicación teórica clásica del efecto zeeman anunciada anteriormente se a
determinado que cada nivel se desdoblara en varios subniveles al someter al átomo en un
campo magnético externo. De todas las transiciones, que se pueden realizar entre los sub
niveles de energía, habrá alguna que involucre el mismo cambio de energía y, en
consecuencia, la luz que emiten tiene la misma frecuencia y se observa como una sola
línea. Además que algunas transiciones son prohibidas debido a las reglas de selección, es
por esto que, solamente se observaran tres líneas en el espectro emitido.
La primera detección de planetas utilizando este metodo fue hecha por un equipo
internacional de astrónomos franceses, Claude Catala y Evelyne Alecian, los cuales
ocupáron un espectropolarizador llamado Espandons instalado en el telescopio CanadienseFranco-Hawaiano ubicado en Mauna Kea para descubrir el campo magnetico en la estrella
Tau Bootis, cuyo valor fue de unos pocos gauss, levemente menor que la del sol, pero con
una estructura interna un poco mas compleja.
En esta estrella encontraron un planeta gigante con orbita muy cercana a su estrella, lo que
gracias a esto ganaron la primera deteccion de este tipo, ya que hasta el momento se tenian
solo pistas indirectas de campos magneticos en estrellas con planetas extrasolares.
La masa de Tau Bootis es de una vez y media la de el sol y se encuentra localizada a unos
50 años luz de distancia respecto a la tierra. En esta estrella fria y activa existe un planeta
muy cercano de alrrededor 0,049UA, con una masa de 4,4 veces jupiter.
Gracias a esta medicion los astronomos tambien pudieron medir el nivel de rotacion
diferencial de la estrella, lo cual es uno de los parametros mas cruciales para la generacion
de campos magneticos, como bien describimos anteriormente. En este caso la materia
localizada cerca del ecuador rota un 18% mas rapido que aquella localizada en los polos,
dando la vuelta completamente en 15 dias aproximadamente.
Comparando la rotacion diferencial de la estrella con la revolucion de el planeta extrasolar,
los cientificos se dieron cuenta que el planeta esta sincronizado con el material estelar
localizado a unos 45° , dando lugar esta comparacion a interacciones complejas entre la
magnetosfera de la estrella y el exoplaneta.
Actualemte equipos de astronomos siguien midiendo campos magneticos y han creado
modelos teoricos en los cuales se predice la existencia de exoplanetas.
“ Ulrich Christensen del Instituto Max Plank para la investigación del Sistema Solar
en Northeim, Alemania y sus colegas Tras correlacionar sus modelos con las
observaciones existentes de las Estrellas T Tauri y las viejas Enanas M, notaron que su
modelo también requería estrellas y planetas de rotación rápida. La razón para esto aún no
se comprende por completo.”
Otra parte del estudio de los campos magneticos , va en directa relacion con los planetas
extrasolares o tambien llamados para este caso, super tierras, en donde se estudia la
evolucion magnetica de planetas rocosos.
Las leyes de escalamiento obtenidas sumadas a las hipótesis de las pripiedades fisicas del
nucleo indican que todos los planetas rocosos con composición similar a la de la Tierra
desarrollaran en alguna etapa de su evolución térmica un dínamo activo,
independientemente de su velocidad de rotación, en donde la masa y la velocidad de
rotacion determinan el tipo de campo magnetico inducido por efecto dinamo.
Conclucion:
El area de investigacion sobre los campos magneticos en estrellas es un tema en auge y
que cada vez toma mas adeptos.
Con los resultados de la investigacion que tomo el grupo de astronomos franceses en
donde se dieron cuenta de la presencia de un planeta en la magnetosfera de una estrella, se
abrieron las puertas a una infinitud de cuestionantes, una de estas es, en que afecta el
campo a la interaccion estrella-planeta .
Bueno ahun no se ha podido llegar a una respuesta satisfactoria, sino que todo consiste en
supuestos.
El tema mas importante del estudio de estos campos magneticos, a parte de ser la
comprencion de la evolucion de sistemas planetarios, es la busqueda de vida en estos
exoplantas. Para esto es importante conocer la etapa de evolucion de la estrella a la cual
gravitacionalmente se encuentran atraidos, la actividad superficial y los niveles de rotacion
diferencial para poder asi recopilar datos tales como la edad de la estrella y la direccion de
su campo magnetico. Otro punto importante , y ya conocida todas las caractericticas de la
estrella principal , es darse cuenta si se trata de un planeta gaseoso o uno rocoso , en este
ultimo estan los ojos puestos ya que posibilita dada las condiciones a la existencia de vida.
La fijacion en lo ultimo radica en que los campos magnéticos planetarios son protectores
contra el viento estelar, que erosiona la atmósfera e irradia la superficie planetaria con
partículas energéticas.
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