Una enana roja es el tipo de estrella más pequeña de la secuencia principal . Las enanas rojas son, con diferencia, el tipo de estrella más común en la Vía Láctea , al menos en las proximidades del Sol . Sin embargo, debido a su baja luminosidad, las enanas rojas individuales no pueden observarse fácilmente. Desde la Tierra, ninguna estrella que se ajuste a las definiciones más estrictas de enana roja es visible a simple vista. [1] Proxima Centauri , la estrella más cercana al Sol, es una enana roja, al igual que cincuenta de las sesenta estrellas más cercanas . Según algunas estimaciones, las enanas rojas constituyen las tres cuartas partes de las estrellas de la Vía Láctea. [2]
Las enanas rojas más frías cercanas al Sol tienen una temperatura superficial de aproximadamente2.000 K y los más pequeños tienen radios de alrededor del 9% del Sol , con masas de alrededor del 7,5% del Sol . Estas enanas rojas tienen tipos espectrales de L0 a L2. Existe cierta superposición con las propiedades de las enanas marrones , ya que las enanas marrones más masivas con menor metalicidad pueden estar tan calientes como3.600 K y tienen tipos espectrales M tardíos.
Las definiciones y el uso del término "enana roja" varían según su grado de inclusión en el extremo más caliente y masivo. Una definición es sinónimo de enanas estelares M ( estrellas de secuencia principal de tipo M ), que producen una temperatura máxima de3.900 K y 0,6 M ☉ . Uno incluye todas las estrellas de la secuencia principal de tipo M y todas las estrellas de la secuencia principal de tipo K ( enanas K ), lo que produce una temperatura máxima de5.200 K y 0,8 M ☉ . Algunas definiciones incluyen cualquier enana M estelar y parte de la clasificación de enanas K. También se utilizan otras definiciones. Se espera que muchas de las enanas M más frías y de menor masa sean enanas marrones, no verdaderas estrellas, por lo que quedarían excluidas de cualquier definición de enana roja.
Los modelos estelares indican que las enanas rojas de menos de 0,35 M ☉ son completamente convectivas . [3] Por lo tanto, el helio producido por la fusión termonuclear del hidrógeno se remezcla constantemente en toda la estrella, evitando la acumulación de helio en el núcleo, prolongando así el período de fusión. Por lo tanto, las enanas rojas de baja masa se desarrollan muy lentamente, manteniendo una luminosidad y un tipo espectral constantes durante billones de años, hasta que se agota su combustible. Debido a la edad comparativamente corta del universo , todavía no existen enanas rojas en etapas avanzadas de evolución.
El término "enana roja" cuando se utiliza para referirse a una estrella no tiene una definición estricta. Uno de los primeros usos del término fue en 1915, utilizado simplemente para contrastar las estrellas enanas "rojas" de las estrellas enanas "azules" más calientes. [4] Se convirtió en un uso establecido, aunque la definición permaneció vaga. [5] En términos de qué tipos espectrales califican como enanas rojas, diferentes investigadores eligieron diferentes límites, por ejemplo K8-M5 [6] o "posterior a K5". [7] También se utilizó la estrella enana M , abreviada dM, pero a veces también incluía estrellas de tipo espectral K. [8]
En el uso moderno, la definición de enana roja todavía varía. Cuando se define explícitamente, normalmente incluye estrellas de clase K tardía y de clase M temprana a media, [9] pero en muchos casos se restringe solo a estrellas de clase M. [10] [11] En algunos casos, todas las estrellas K se incluyen como enanas rojas, [12] y ocasionalmente incluso estrellas anteriores. [13]
Los estudios más recientes sitúan las estrellas verdaderas más frías de la secuencia principal en los tipos espectrales L2 o L3. Al mismo tiempo, muchos objetos más fríos que M6 o M7 son enanas marrones, insuficientemente masivas para sostener la fusión del hidrógeno-1 . [14] Esto proporciona una superposición significativa en los tipos espectrales de las enanas rojas y marrones. Los objetos en ese rango espectral pueden ser difíciles de categorizar.
Las enanas rojas son estrellas de muy baja masa . [15] Como resultado, tienen presiones relativamente bajas, una baja tasa de fusión y, por lo tanto, una baja temperatura. La energía generada es producto de la fusión nuclear de hidrógeno en helio mediante el mecanismo de cadena protón-protón (PP) . Por lo tanto, estas estrellas emiten relativamente poca luz, a veces tan solo 1 ⁄ 10.000 de la del Sol, aunque esto todavía implicaría una producción de energía del orden de 10 22 vatios (10 billones de gigavatios o 10 ZW ). Incluso las enanas rojas más grandes (por ejemplo HD 179930, HIP 12961 y Lacaille 8760 ) tienen sólo alrededor del 10% de la luminosidad del Sol . [16] En general, las enanas rojas de menos de 0,35 M ☉ transportan energía desde el núcleo a la superficie por convección . La convección se produce debido a la opacidad del interior, que tiene una alta densidad en comparación con la temperatura. Como resultado, la transferencia de energía por radiación disminuye y, en cambio, la convección es la principal forma de transporte de energía a la superficie de la estrella. Por encima de esta masa, una enana roja tendrá una región alrededor de su núcleo donde no se produce convección. [17]
Debido a que las enanas rojas de baja masa son completamente convectivas, el helio no se acumula en el núcleo y, en comparación con estrellas más grandes como el Sol, pueden quemar una mayor proporción de su hidrógeno antes de abandonar la secuencia principal . Como resultado, se ha estimado que las enanas rojas tienen una esperanza de vida mucho mayor que la edad actual del universo, y las estrellas de menos de 0,8 M ☉ no han tenido tiempo de abandonar la secuencia principal. Cuanto menor es la masa de una enana roja, mayor es su esperanza de vida. Se cree que la vida útil de estas estrellas excede la vida útil esperada del Sol de 10 mil millones de años por la tercera o cuarta potencia de la relación entre la masa solar y sus masas; por tanto, una enana roja de 0,1 M ☉ puede seguir ardiendo durante 10 billones de años. [15] [19] A medida que se consume la proporción de hidrógeno en una enana roja, la tasa de fusión disminuye y el núcleo comienza a contraerse. La energía gravitacional liberada por esta reducción de tamaño se convierte en calor, que se transporta por toda la estrella por convección. [20]
Según simulaciones por computadora, la masa mínima que debe tener una enana roja para eventualmente evolucionar hacia una gigante roja es 0,25 M ☉ ; Los objetos menos masivos, a medida que envejecen, aumentarían sus temperaturas y luminosidades superficiales convirtiéndose en enanas azules y finalmente enanas blancas . [18]
Cuanto menos masiva es la estrella, más tiempo lleva este proceso evolutivo. Se ha calculado que una enana roja de 0,16 M ☉ (aproximadamente la masa de la cercana estrella de Barnard ) permanecería en la secuencia principal durante 2,5 billones de años, seguidos de cinco mil millones de años como enana azul, durante los cuales la estrella tendría un tercio de la luminosidad del Sol ( L ☉ ) y una temperatura superficial de 6.500 a 8.500 kelvin . [18]
El hecho de que las enanas rojas y otras estrellas de baja masa aún permanezcan en la secuencia principal cuando estrellas más masivas se han salido de la secuencia principal permite estimar la edad de los cúmulos de estrellas encontrando la masa con la que las estrellas se salen de la secuencia principal. Esto proporciona un límite inferior a la edad del Universo y también permite establecer escalas de tiempo de formación de las estructuras dentro de la Vía Láctea , como el halo galáctico y el disco galáctico .
Todas las enanas rojas observadas contienen "metales" , que en astronomía son elementos más pesados que el hidrógeno y el helio. El modelo del Big Bang predice que la primera generación de estrellas debería tener sólo hidrógeno, helio y trazas de litio y, por tanto, tendría baja metalicidad. Con su esperanza de vida extrema, cualquier enana roja que formara parte de esa primera generación ( estrellas de población III ) todavía debería existir hoy. Sin embargo, las enanas rojas de baja metalicidad son raras. El modelo aceptado para la evolución química del universo anticipa tal escasez de estrellas enanas pobres en metales porque se cree que sólo se formaron estrellas gigantes en el entorno pobre en metales del universo primitivo. [ ¿ por qué? ] A medida que las estrellas gigantes terminan sus cortas vidas en explosiones de supernova , expulsan los elementos más pesados necesarios para formar estrellas más pequeñas. Por lo tanto, los enanos se hicieron más comunes a medida que el universo envejecía y se enriquecía en metales. Si bien se espera una escasez básica de enanas rojas antiguas pobres en metales, las observaciones han detectado incluso menos de lo previsto. Se pensaba que la enorme dificultad de detectar objetos tan tenues como las enanas rojas explicaba esta discrepancia, pero los métodos de detección mejorados sólo han confirmado la discrepancia. [25]
El límite entre las enanas rojas menos masivas y las enanas marrones más masivas depende en gran medida de la metalicidad. En metalicidad solar, el límite se produce alrededor de 0,07 M ☉ , mientras que en metalicidad cero el límite está alrededor de 0,09 M ☉ . En la metalicidad solar, las enanas rojas menos masivas teóricamente tienen temperaturas alrededor1.700 K , mientras que las mediciones de enanas rojas en la vecindad solar sugieren que las estrellas más frías tienen temperaturas de aproximadamente2.075 K y clases espectrales de aproximadamente L2. La teoría predice que las enanas rojas más frías con metalicidad cero tendrían temperaturas de aproximadamente3.600K . Las enanas rojas menos masivas tienen radios de aproximadamente 0,09 R ☉ , mientras que tanto las enanas rojas más masivas como las enanas marrones menos masivas son más grandes. [14] [26]
Los estándares espectrales para las estrellas de tipo M han cambiado ligeramente a lo largo de los años, pero se han estabilizado un poco desde principios de los años 1990. Parte de esto se debe al hecho de que incluso las enanas rojas más cercanas son bastante débiles y sus colores no se registran bien en las emulsiones fotográficas utilizadas entre principios y mediados del siglo XX. El estudio de las enanas de tamaño medio a tardío ha avanzado significativamente sólo en las últimas décadas, principalmente debido al desarrollo de nuevas técnicas astrográficas y espectroscópicas , que han prescindido de placas fotográficas y han avanzado hacia dispositivos de par cargado (CCD) y conjuntos sensibles al infrarrojo. .
El sistema Yerkes Atlas revisado (Johnson & Morgan, 1953) [27] enumeró sólo dos estrellas espectrales estándar de tipo M: HD 147379 (M0V) y HD 95735/ Lalande 21185 (M2V). Si bien HD 147379 no fue considerado un estándar por los clasificadores expertos en compendios de estándares posteriores, Lalande 21185 sigue siendo un estándar principal para M2V. Robert Garrison [28] no enumera ningún estándar de "ancla" entre las enanas rojas, pero Lalande 21185 ha sobrevivido como estándar M2V a través de muchos compendios. [27] [29] [30] La revisión sobre la clasificación MK realizada por Morgan y Keenan (1973) no contenía estándares de enanas rojas. A mediados de la década de 1970, Keenan & McNeil (1976) [31] y Boeshaar (1976), [32] publicaron estrellas estándar enanas rojas , pero desafortunadamente hubo poco acuerdo entre los estándares. A medida que se identificaron estrellas más frías durante la década de 1980, quedó claro que era necesaria una revisión de los estándares de las enanas rojas. Basándose principalmente en los estándares de Boeshaar, un grupo del Observatorio Steward (Kirkpatrick, Henry y McCarthy, 1991) [30] completó la secuencia espectral de K5V a M9V. Son estas estrellas enanas estándar de tipo M las que han sobrevivido en gran medida como estándares principales hasta nuestros días. Ha habido cambios insignificantes en la secuencia espectral de las enanas rojas desde 1991. Henry et al. compilaron estándares adicionales de enanas rojas. (2002), [33] y D. Kirkpatrick revisó recientemente la clasificación de enanas rojas y estrellas estándar en la monografía de Gray & Corbally de 2009. [34] Los estándares espectrales primarios de la enana M son: GJ 270 (M0V), GJ 229A (M1V), Lalande 21185 (M2V), Gliese 581 (M3V), Gliese 402 (M4V), GJ 51 (M5V), Wolf 359 ( M6V), van Biesbroeck 8 (M7V), VB 10 (M8V), LHS 2924 (M9V).
Muchas enanas rojas están orbitadas por exoplanetas , pero los planetas grandes del tamaño de Júpiter son comparativamente raros. Los estudios Doppler de una amplia variedad de estrellas indican que aproximadamente 1 de cada 6 estrellas con el doble de masa del Sol están orbitadas por uno o más planetas del tamaño de Júpiter, frente a 1 de cada 16 de las estrellas similares al Sol y la frecuencia de estrellas gigantes cercanas. planetas (del tamaño de Júpiter o mayores) que orbitan alrededor de enanas rojas es sólo 1 de cada 40. [35] Por otro lado, los estudios de microlente indican que alrededor de una de cada tres enanas rojas se encuentran planetas con período orbital largo de masa como Neptuno . [36] Las observaciones con HARPS indican además que el 40% de las enanas rojas tienen un planeta de clase " supertierra " que orbita en la zona habitable donde puede existir agua líquida en la superficie. [37] Las simulaciones por computadora de la formación de planetas alrededor de estrellas de baja masa predicen que los planetas del tamaño de la Tierra son los más abundantes, pero más del 90% de los planetas simulados tienen al menos un 10% de agua en masa, lo que sugiere que muchos planetas del tamaño de la Tierra Las estrellas enanas rojas que orbitan están cubiertas de océanos profundos. [38]
Entre 2005 y 2010 se descubrieron al menos cuatro y posiblemente hasta seis exoplanetas orbitando dentro del sistema planetario Gliese 581. Un planeta tiene aproximadamente la masa de Neptuno , o 16 masas terrestres ( ME ) . Orbita a sólo 6 millones de kilómetros (0,04 AU ) de su estrella y se estima que tiene una temperatura superficial de 150° C , a pesar de la oscuridad de su estrella. En 2006, se encontró un exoplaneta aún más pequeño (sólo 5,5 ME) orbitando la enana roja OGLE - 2005 -BLG-390L ; se encuentra a 390 millones de kilómetros (2,6 AU) de la estrella y su temperatura superficial es de -220 °C (53 K ).
En 2007, se encontró un nuevo exoplaneta potencialmente habitable , Gliese 581c , que orbitaba alrededor de Gliese 581 . La masa mínima estimada por sus descubridores (un equipo dirigido por Stéphane Udry ) es de 5,36 ME . Los descubridores estiman que su radio es 1,5 veces el de la Tierra ( R 🜨 ). Desde entonces se descubrió Gliese 581d , que también es potencialmente habitable.
Gliese 581c yd se encuentran dentro de la zona habitable de la estrella anfitriona y son dos de los candidatos más probables a la habitabilidad de cualquier exoplaneta descubierto hasta ahora. [39] Gliese 581g , detectada en septiembre de 2010, [40] tiene una órbita casi circular en el medio de la zona habitable de la estrella. Sin embargo, se cuestiona la existencia del planeta. [41]
El 23 de febrero de 2017, la NASA anunció el descubrimiento de siete planetas del tamaño de la Tierra que orbitan alrededor de la estrella enana roja TRAPPIST-1, a aproximadamente 39 años luz de distancia, en la constelación de Acuario. Los planetas fueron descubiertos mediante el método de tránsito, lo que significa que tenemos información de masa y radio para todos ellos. TRAPPIST-1e , f y g parecen estar dentro de la zona habitable y pueden tener agua líquida en la superficie. [42]
La evidencia moderna sugiere que es extremadamente improbable que los planetas en sistemas enanas rojas sean habitables. A pesar de su gran número y su larga vida útil, hay varios factores que pueden dificultar la vida en los planetas alrededor de una enana roja. Primero, los planetas en la zona habitable de una enana roja estarían tan cerca de la estrella madre que probablemente estarían bloqueados por mareas . Para una órbita casi circular, esto significaría que un lado estaría en luz perpetua del día y el otro en noche eterna. Esto podría crear enormes variaciones de temperatura de un lado al otro del planeta. Estas condiciones parecen dificultar la evolución de formas de vida similares a las de la Tierra. Y parece que hay un gran problema con la atmósfera de estos planetas bloqueados por las mareas: la zona de noche perpetua sería lo suficientemente fría como para congelar los principales gases de sus atmósferas, dejando la zona de luz diurna desnuda y seca. Por otro lado, sin embargo, una teoría propone que una atmósfera espesa o un océano planetario podrían potencialmente hacer circular calor alrededor de dicho planeta. [43]
La variabilidad en la producción de energía estelar también puede tener impactos negativos en el desarrollo de la vida. Las enanas rojas suelen ser estrellas con llamaradas , que pueden emitir llamaradas gigantescas, duplicando su brillo en minutos. Esta variabilidad dificulta que la vida se desarrolle y persista cerca de una enana roja. [44] Si bien es posible que un planeta que orbita cerca de una enana roja mantenga su atmósfera incluso si la estrella emite llamaradas, investigaciones más recientes sugieren que estas estrellas pueden ser la fuente de constantes llamaradas de alta energía y campos magnéticos muy grandes. , disminuyendo la posibilidad de vida tal como la conocemos. [45] [46]
Las separaciones cercanas (< 1 AU) han sido ampliamente investigadas mediante Doppler y estudios de tránsito con los siguientes resultados: la frecuencia de planetas gigantes cercanos (1-10 M Jup ) es sólo 2,5 ± 0,9% , consistente con los modelos de acreción de núcleos más migración. .
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