Recuerdo que mis compañeros más jóvenes hacían muchas preguntas sobre el diagrama color‑color y el salto de Balmer.
Aun así, me parece que no hay mucha información en internet sobre el diagrama color‑color, así que escribo esta entrada.
En general, cuando se expresan las características de las estrellas se usa mucho el diagrama color‑magnitud.
En la educación secundaria también aparece el diagrama color‑magnitud.
Hoy, yendo un poco más allá que eso, quiero escribir sobre el diagrama color‑color.
1. Diagrama color‑color
El diagrama color‑color, a diferencia del diagrama color‑magnitud, es una gráfica en la que ambos ejes son índices de color distintos.
En él, el eje X es (B−V) y el eje Y es (U−B).
En el diagrama color‑color aparece una forma de gráfica peculiar que no se puede ver en el diagrama color‑magnitud habitual.
En particular, es una característica llamativa que la gráfica se muestre de manera distinta para estrellas de la secuencia principal y supergigantes con respecto a la curva trazada asumiendo radiación de cuerpo negro.
Entonces, ¿cuál es la razón por la que se producen estas diferencias en el diagrama color‑color?
2. Diagrama color‑color, salto de Balmer y filtro U
En el diagrama color‑color, la gráfica que se obtiene para un objeto que se supone un cuerpo negro aparece en forma de línea recta.
Si asumimos un cuerpo negro, este sigue perfectamente la curva de Planck, por lo que, de acuerdo con esta ley, aparece una línea recta perfecta.
Sin embargo, el hecho de que las estrellas de la secuencia principal y las supergigantes muestren formas distintas en el diagrama color‑color se debe a las tres razones siguientes.
Salto de Balmer debido a las líneas de absorción del hidrógeno
Regiones de longitud de onda de los filtros U, B, V
Diferencia de densidad entre estrellas de la secuencia principal y supergigantes
1) Salto de Balmer (Balmer jump)
Ya lo traté en una entrada anterior, pero la clasificación estelar general utiliza el método de clasificación Cannon del Observatorio de Harvard, que ordena las estrellas según la intensidad de las líneas de Balmer del hidrógeno.
Las líneas de Balmer del hidrógeno son líneas de absorción producidas por fotones absorbidos por átomos que se excitan hacia el nivel n=2 del hidrógeno.
La luz con longitud de onda más corta que la de los fotones que ionizan átomos de hidrógeno que están en el nivel n=2 es absorbida por el hidrógeno, que queda ionizado.
Por lo tanto, todos los fotones con longitud de onda menor que λ = 3648 Å (364,9 μm) se utilizan para ionizar el hidrógeno y son absorbidos (se absorben de forma continua).
En la gráfica anterior, el eje x representa la longitud de onda y el eje y el flujo en cada longitud de onda.
Viendo el diagrama, se puede comprobar que el flujo disminuye bruscamente entre 3600 y 3800 Å.
“D” es la primera línea de absorción de la serie de Balmer en una estrella de tipo B, y las longitudes de onda más cortas que D se deben todas a la absorción de fotones por la ionización del hidrógeno.
A este fenómeno se le llama salto de Balmer (Balmer jump). Cuando se observa el espectro de una estrella, el flujo en la serie de Balmer cambia de forma abrupta, como si diera un salto.
2) Sistema fotométrico U‑B‑V
Si a los efectos del salto de Balmer descritos arriba se añaden los efectos del instrumental de observación, es fácil entender por qué aparece la gráfica del diagrama color‑color.
Al observar estrellas, existe un intervalo de longitudes de onda observables determinado por cada filtro monocromático o de banda ancha.
Por ejemplo, entre los filtros monocromáticos está el filtro H‑alfa y entre los filtros de banda ancha están los filtros U, B y V.
El índice de color se obtiene con filtros de banda ancha, y el filtro U se centra en 3650 Å, el filtro B en 4400 Å y el filtro V en 5500 Å.
Como el salto de Balmer se centra en una longitud de onda de 3648 Å, tiene una influencia especialmente grande en la magnitud del filtro U.
Por lo tanto, en las estrellas de tipo A0 (temperatura superficial de unos 10 000 K), donde la mayoría del hidrógeno se encuentra en el nivel n=2, el salto de Balmer ejerce una gran influencia.
Si esto no resulta intuitivo, pensemos en el siguiente procedimiento.
1) En el diagrama color‑color, el eje x representa la magnitud (B−V) y el eje y la magnitud (U−B).
2) En el eje x, el valor de la magnitud (B−V) aumenta hacia la derecha, y en el eje y, la magnitud aumenta hacia abajo.
3) Que la magnitud aumente significa que la diferencia de brillo entre filtros se hace mayor.
4) Que la forma de la gráfica de estrellas reales en el diagrama color‑color difiera de la de un cuerpo negro significa que, al comparar estrellas con el mismo índice de color, el valor de (U−B) es mayor.
5) Que el valor de (U−B) sea mayor significa que la magnitud en el filtro U es mayor (es decir, que es más débil).
6) Esto se debe a que, por el salto de Balmer, la magnitud en el filtro U resulta grande.Volvamos a mirar los ejes de la gráfica.
Conviene recordar una vez más que no se expresa la luminosidad real, sino solo la diferencia de magnitud U−B o B−V.
3 ) Diferencia de densidad entre estrellas de la secuencia principal y supergigantes
Entonces, ¿por qué difiere el diagrama color‑color de las estrellas de la secuencia principal y de las supergigantes?
Esto se debe a la diferencia de densidad entre ambas estrellas.
Las líneas de absorción de una estrella se producen por la “absorción de fotones” en su atmósfera.
La absorción de fotones está relacionada con la opacidad.
Si recordamos que en la opacidad interviene la “densidad”, podemos entender que el espectro de absorción de las estrellas se comporta del mismo modo.
Solo que, en el caso de una supergigante, la estrella está en un estado expandido, por lo que su densidad es baja y, en consecuencia, la diferencia con el cuerpo negro en el diagrama color‑color aparece de forma más “suave”.
3. ¿Qué significan el diagrama color‑color y el salto de Balmer?
¿Qué significa la diferencia entre el cuerpo negro y los valores de observación reales de las estrellas en el diagrama color‑color?
Se puede resumir del siguiente modo.
1) En el diagrama color‑color aparece, en comparación con el cuerpo negro, el efecto de los elementos constituyentes de la estrella (salto de Balmer). Esto muestra que la estrella no es un cuerpo negro perfecto.
2) La observación mediante los filtros U, B y V produce estos efectos. Por tanto, al interpretar los datos es necesario comprender cómo es el instrumental de observación, y los resultados pueden variar mucho según el instrumental utilizado.
3) La diferencia en la densidad superficial de las estrellas se manifiesta como una diferencia en el diagrama color‑color.
El motivo por el que aparece el salto de Balmer (discontinuidad de Balmer) es que la mayor parte de la materia de las estrellas está compuesta de hidrógeno.
Durante mucho tiempo he observado y estudiado astronomía, y sigue resultándome sorprendente y novedoso que se puedan conocer tantas cosas a partir del espectro de la luz estelar.
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