Estudios de Variabilidad

Las estrellas variables fueron detectadas por primera vez por personas que simplemente miraban hacia el cielo nocturno y notaban que una estrella en particular había cambiado su brillo desde la última vez que miraron. Más tarde, los astrónomos, por supuesto, comenzaron a usar telescopios para examinar el cielo y así poder estudiar las variables con más detalle, ver variables más débiles y, por lo tanto, más de ellas. Luego, comenzó la astrofotografía, en la que se montaron cámaras con placas fotográficas en los telescopios, de modo que se pudieran encontrar aún más variables y más débiles, con medidas más precisas de su brillo disponibles a partir de las fotografías. Desde mediados de la década de 1980, las cámaras de los telescopios utilizan cada vez más dispositivos electrónicos sensibles a la luz llamados CCD ('dispositivos acoplados por carga'). Los CCD astronómicos son similares al chip de su cámara digital o teléfono, pero tienden a ser más grandes y más sensibles. Cuando un fotón de luz golpea un CCD, libera electrones de un elemento (un píxel) del chip de silicio. Esos electrones se barajan a lo largo del mosaico de silicio y se leen como una matriz de números que constituye una imagen digital.

Hoy en día, se pueden montar grandes cámaras CCD en telescopios diseñados específicamente para escanear rápidamente amplias áreas del cielo, lo que permite realizar estudios de variabilidad sistemáticos. De hecho, se han diseñado y construido numerosps estudios de variabilidad diferentes en la última década o dos, y hay muchas más por venir. Cada uno de estos estudios crea 'películas' del cielo que pueden ser rápidamente analizadas por computadoras para encontrar y medir variables. Donde la astronomía solía ser principalmente el estudio de objetos interesantes, una variedad de nuevos estudios de varias épocas que hacen "películas del cielo" están produciendo una nueva ciencia increíble al detectar variables y transitorios como los que se describen aquí en el sitio web de SDU: estrellas pulsantes, estrellas binarias eclipsantes, novas y supernovas, etc. La astronomía ha entrado en el dominio del tiempo.

Para detectar y medir la variabilidad, se escanea una imagen digital de una parte particular del cielo. Los picos de brillo se identifican y catalogan como objetos. El brillo de cada objeto se mide sumando el número de electrones a su alrededor. Cuando se toman imágenes adicionales en diferentes momentos (épocas), se puede rastrear el brillo del objeto y detectar cambios en el brillo si es una variable.

A continuación se muestra un GIF animado de parte del cúmulo estelar globular Messier 3, con 4 imágenes tomadas en diferentes momentos. La mayoría de los objetos no varían, pero hay algunos que claramente cambian su brillo con el tiempo. La mayoría de los objetos que pueden verse como variables son estrellas RR Lyrae, que tienden a ser azules porque sus temperaturas son más altas que la mayoría de las otras estrellas en este cúmulo.

A continuación, describimos algunos de los principales estudios de imágenes de varias épocas útiles para detectar variables celestes.

SDSS

A principios de este milenio, el Sloan Digital Sky Survey (SDSS) hizo las primeras imágenes digitales en color a gran escala del cielo, utilizando una cámara de escaneo de campo amplio que tomó imágenes simultáneamente a través de 5 filtros de color diferentes, y finalmente cartografió la mayor parte del cielo del norte. SDSS detectó objetos tan débiles como de magnitud 22, más de un millón de veces más débiles de lo que puede ver el ojo humano.
SDSS también hizo la primera 'película' en color de gran área del cielo. En una región que llamaron "Stripe 82". SDSS volvió a generar imágenes de ese mismo sector de cielo (290 grados cuadrados, o aproximadamente 1500 veces el tamaño de la luna llena) más de 60 veces durante una década, lo que permitió muchos estudios de gran variabilidad.
En fases posteriores, el SDSS se centró por completo en obtener espectroscopia de millones de estrellas, galaxias y cuásares que se encuentran en las imágenes originales.

Pan-STARRS

Entre 2010 y 2014, el estudio Pan-STARRS1 (PS1) cubrió el 75 % del cielo en 5 colores, utilizando un telescopio de 1,8 metros de diámetro ubicado cerca de la cima de Haleakala en la isla de Maui. Una enorme cámara digital con casi 1.400 millones de píxeles escaneaba unos 1.000 grados cuadrados por noche (unas 5.000 veces el tamaño de la luna llena, pero sólo una cuadragésima parte de todo el cielo). Se tomaron imágenes de cada parte del cielo unas 12 veces por separado durante el estudio de 3 años. PS1 detectó objetos tan débiles como de magnitud 23.

Zwicky Transient Facility

La Instalación Transitoria de Zwicky (Zwicky Transient Facility) (ZTF) utiliza una cámara CCD grande de lectura rápida y un diseño clásico especial llamado telescopio Schmidt, en el Monte Palomar en California. El ZTF captura repetidamente alrededor del 75% del cielo en tres filtros diferentes. ZTF detecta objetos tan débiles como de magnitud 22 y ha realizado más de 100 visitas en la mayor parte de su área.
La mayoría de las curvas de luz óptica y los espectros para el proyecto SDU fueron obtenidos por el ZTF y analizados como parte de la Encuesta Espectroscópica en el Dominio del Tiempo (Time Domain Spectroscopic Survey TDSS; ver más abajo).

ASAS-SN

Utilizando 20 telescopios pequeños (14 cm) distribuidos en Sudáfrica, Chile, Texas y Hawái, el estudio automatizado All-Sky para supernovas (ASAS-SN) cubre todo el cielo disponible en una estación determinada aproximadamente cada 5 días, con un sondeo tan débil como de magnitud 17.

Catalina Sky Survey

El Catalina Sky Survey (CSS) utilizó principalmente 3 telescopios en las Montañas Santa Catalina cerca de Tucson, detectando objetos tan débiles como de magnitud 19.

Legacy Survey of Space and Time

El estudio de variables más grande jamás realizado, que comenzará alrededor de 2023, es el Observatorio Vera Rubin en Chile y su Legacy Survey of Space and Time (LSST). Se espera que la encuesta dure 10 años, con la capacidad de escanear todo el cielo del sur disponible cada tres noches. Utilizando un telescopio de 8,4 metros, LSST detectará objetos tan débiles como de magnitud 24 y proporcionará al público un flujo masivo de datos de transitorios y variables.

TDSS

El Estudio Espectroscópico En el Dominio del Tiempo (Time Domain Spectroscopic Survey TDSS) utilizó la capacidad del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) espectrógrafo multifibra para obtener espectros de más de 100.000 objetos variables preseleccionados con una magnitud aproximada de 21 mediante la comparación de las magnitudes SDSS y PS1. Los espectros revelan que alrededor de un tercio de las variables son estrellas y dos tercios son cuásares.