Kepler space observatory watches stellar dancers of the Pleiades Cluster

This image shows the Pleiades cluster of stars as seen through the eyes of WISE, or NASA's Wide-field Infrared
Survey Explorer.  Credits: NASA/JPL-Caltech/UCLA

Like cosmic ballet dancers, the stars of the Pleiades cluster are spinning. But these celestial dancers are all twirling at different speeds. Astronomers have long wondered what determines the rotation rates of these stars.

By watching these stellar dancers, NASA's Kepler space telescope during its K2 mission has helped amass the most complete catalogue of rotation periods for stars in a cluster. This information can help astronomers gain insight into where and how planets form around these stars, and how such stars evolve. 

"We hope that by comparing our results to other star clusters, we will learn more about the relationship between a star’s mass, its age, and even the history of its solar system," said Luisa Rebull, a research scientist at the Infrared Processing and Analysis Center at Caltech in Pasadena, California. She is the lead author of two new papers and a co-author on a third paper about these findings, all being published in the Astronomical Journal.

A Spitzer image of the Pleiades in infrared.
Credit: NASA/JPL-Caltech

The Pleiades star cluster is one of the closest and most easily seen star clusters, residing just 445 light-years away from Earth, on average. At about 125 million years old, these stars -- known individually as Pleiads -- have reached stellar "young adulthood." In this stage of their lives, the stars are likely spinning the fastest they ever will.

As a typical star moves further along into adulthood, it loses some zip due to the copious emission of charged particles known as a stellar wind (in our solar system, we call this the solar wind). The charged particles are carried along the star’s magnetic fields, which overall exerts a braking effect on the rotation rate of the star.

Rebull and colleagues sought to delve deeper into these dynamics of stellar spin with Kepler. Given its field of view on the sky, Kepler observed approximately 1,000 stellar members of the Pleiades over the course of 72 days. The telescope measured the rotation rates of more than 750 stars in the Pleiades, including about 500 of the lowest-mass, tiniest, and dimmest cluster members, whose rotations could not previously be detected from ground-based instruments.

Kepler measurements of starlight infer the spin rate of a star by picking up small changes in its brightness. These changes result from "starspots" which, like the more-familiar sunspots on our sun, form when magnetic field concentrations prevent the normal release of energy at a star’s surface. The affected regions become cooler than their surroundings and appear dark in comparison.

As stars rotate, their starspots come in and out of Kepler’s view, offering a way to determine spin rate. Unlike the tiny, sunspot blemishes on our middle-aged sun, starspots can be gargantuan in stars as young as those in the Pleiades because stellar youth is associated with greater turbulence and magnetic activity. These starspots trigger larger brightness decreases, and make spin rate measurements easier to obtain.

During its observations of the Pleiades, a clear pattern emerged in the data: More massive stars tended to rotate slowly, while less massive stars tended to rotate rapidly. The big-and-slow stars' periods ranged from one to as many as 11 Earth-days. Many low-mass stars, however, took less than a day to complete a pirouette. (For comparison, our sedate sun revolves fully just once every 26 days.) The population of slow-rotating stars includes some ranging from a bit larger, hotter and more massive than our sun, down to other stars that are somewhat smaller, cooler and less massive. On the far end, the fast-rotating, fleet-footed, lowest-mass stars possess as little as a tenth of our sun’s mass. 

"In the 'ballet' of the Pleiades, we see that slow rotators tend to be more massive, whereas the fastest rotators tend to be very light stars," said Rebull. 

The main source of these differing spin rates is the internal structure of the stars, Rebull and colleagues suggest. Larger stars have a huge core enveloped in a thin layer of stellar material undergoing a process called convection, familiar to us from the circular motion of boiling water. Small stars, on the other hand, consist almost entirely of convective, roiling regions. As stars mature, the braking mechanism from magnetic fields more easily slows the spin rate of the thin, outermost layer of big stars than the comparatively thick, turbulent bulk of small stars.

Thanks to the Pleiades’ proximity, researchers think it should be possible to untangle the complex relationships between stars’ spin rates and other stellar properties. Those stellar properties, in turn, can influence the climates and habitability of a star’s hosted exoplanets. For instance, as spinning slows, so too does starspot generation, and the solar storms associated with starspots. Fewer solar storms means less intense, harmful radiation blasting into space and irradiating nearby planets and their potentially emerging biospheres. 

"The Pleiades star cluster provides an anchor for theoretical models of stellar rotation going both directions, younger and older," said Rebull. "We still have a lot we want to learn about how, when and why stars slow their spin rates and hang up their 'dance shoes,' so to speak."

Artist's impression of the Kepler telescope.
Credit: NASA/JPL-Caltech/Wendy Stenzel

Rebull and colleagues are now analyzing K2 mission data from an older star cluster, Praesepe, popularly known as the Beehive Cluster, to further explore this phenomenon in stellar structure and evolution.

"We’re really excited that K2 data of star clusters, such as the Pleiades, have provided astronomers with a bounty of new information and helped advance our knowledge of how stars rotate throughout their lives," said Steve Howell, project scientist for the K2 mission at NASA’s Ames Research Center in Moffett Field, California.

The K2 mission’s approach to studying stars employs the Kepler spacecraft's ability to precisely observe miniscule changes in starlight. Kepler’s primary mission ended in 2013, but more exoplanet and astrophysics observations continue with the K2 mission, which began in 2014.

Ames manages the Kepler and K2 missions for NASA's Science Mission Directorate. NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California, managed Kepler mission development. Ball Aerospace & Technologies Corporation operates the flight system with support from the Laboratory for Atmospheric and Space Physics at the University of Colorado at Boulder.

Sources: NASA/JPL-Caltech/UCLA

----------------------------------------------------------------------------------

El observatorio espacial Kepler observa la danza estelar en el cumulo de las Pléyades 

A color-composite image of the Pleiades from the Digitized Sky Survey

Como bailarinas de ballet cósmicas, las estrellas del cumulo de la Pléyades están rotando. Pero estas bailarinas celestiales están todas girando a velocidades distintas. Hace tiempo que los astrónomos tratan de determinar que causa la tasa de rotación de estas estrellas. 

Con la observación de estas bailarinas estelares en el telescopio espacial de la NASA Kepler durante el trascurso de su misión K2 se ha conseguido acumular el más completo catálogo de periodos de rotaciones de estrellas en un cumulo. Esta información puede ayudar a los astrónomos conseguir 

“Esperamos que comparando nuestros resultados con los de otros cúmulos estelares, aprenderemos más acerca de las relaciones entre la masa de una estrella, su edad, e incluso la edad de su sistema solar.” Dijo Luisa Rebull, una investigadora científica en el Processing and Analysis Center de infrarrojos de Caltech en Pasadena, California. Ella es la autora principal de una nueva publicación y coautora de otras dos más, así como coautora en una tercera publicación relacionada con estos hallazgos, los cuales se están publicando en the Astronomical Journal. 

Hubble Space Telescope image of reflection nebulosity
near Merope (IC 349)

El cumulo estelar de las Pléyades es uno de los más cercanos y reconocibles cúmulos de estrellas, residiendo a tan solo 445 años luz de la Tierra de media. Con unos 125 millones de años, estas estrellas – conocidas individualmente como como Estrellas Pléyades han alcanzado la “edad adulta joven.” En este estado de su vida las estrellas son propensas a rotar lo más rápido que jamás lo harán. 

Conforme una estrella típica avanza hacia su madurez, pierde velocidad debido a la copiosa emisión de partículas cargadas conocidas como viento estelar (en nuestro sistema solar lo llamamos viento solar). Las particulas cargadas se desplazan a lo largo del campo magnético de la estrella, y que en general ejerce una fuerza de frenada a la rotación de la estrella.

Rebull y sus compañeros han tratado de profundizar sobre la dinámica de estas rotaciones estelares con el Kelpler. Dado su campo de visión del cielo, El Kepler observó aproximadamente unos 1.000 miembros estelares de la Pléyades a lo largo de 72 días. El telescopio midió el rango de rotación de más de 750 estrellas en las Pléyades, incluyendo unas 500 de las que tenían menos masa, las más pequeñas y los miembros menos brillantes del cumulo, cuyas rotaciones no pudieron ser detectadas anteriormente con los instrumentos de los telescopios ubicados en tierra.

Las mediciones de la luz estelar de Kepler indican el rango de giro de una estrella debido a la medición de pequeños cambios en su brillo. Estos cambios son el resultado de “manchas estelares” que, como las más familiares manchas solares de nuestro propio Sol, formados cuando la concentración del campo magnético previene la liberación normal de energía en la superficie de una estrella. Las regiones afectadas se enfrían más que sus alrededores y estas aparecen más oscuras en comparación.

Mientras que la estrella rota, las manchas estelares aparecen y desaparecen de la vista de Kepler, ofreciendo una posibilidad de determinar el rango de giro. Al contrario que las pequeñas manchas solares que proliferan en nuestra estrella de edad mediana, las manchas estelares pueden ser gigantescas en las jóvenes estrellas como las que hay en las Pléyades debido a su joven edad y que se asocia con mayores turbulencias y actividad magnética. Estas manchas estelares provocan mayor disminución en el brillo estelar y hace posible la medición del rango de rotación más fácil de obtener.

Durante las observaciones de las Pléyades, un claro patrón emergió de la información: Estrellas más masivas tienden a rotar más lentamente, mientras que las estrellas menos masivas rotan más rápidamente. Los periodos de las mayores y más lentas estrellas varían desde uno hasta tanto como 11 días terráqueos. Sin embargo, muchas de las menos masivas estrellas tardan menos de un día en completar una pirueta. (Comparándolo nuestro tranquilo sol, tarda en girar por completo 26 días.) la población de estrellas de rotación lenta incluye alguna que van desde las que son un poco más grandes, masivas y calientes que nuestro Sol hasta otras estrellas que son algo más pequeñas, frías y menos masivas que la nuestra. En el lado opuesto de esto, las estrellas de rotación rápida y veloces, de baja masa que poseen tan poco como una décima parte de la masa de nuestro Sol. 

“En el ballet de las Pléyades, vemos que las de lenta rotación tienden a ser más masivas, mientras que las mas que giran más rápidas tienden a ser estrellas más ligeras,” dijo Rebull. 

La fuente principal de estas diferencias en los rangos de rotación esta en las estructuras internas de las estrellas, han sugerido Rebull y sus compañeros. Estrellas más grandes tienen un enorme núcleo envuelto en una delgada capa de material estelar bajo un proceso llamado convección, que nos es familiar tal como el movimiento circular del agua hirviendo. Por el contrario, las estrellas pequeñas, consisten por completo de turbulentas regiones de convección. Conforme la estrella madura, el mecanismo de deceleración del campo magnético hace más fácil que se ralentice el rango de giro en estrellas más grandes debido a la fina capa exterior que en las estrellas que tienen una capa exterior relativamente más gruesa y turbulenta.

Gracias a la proximidad de las Pléyades los investigadores piensan que podría ser posible desenredar la compleja relación entre el rango de rotación de las estrellas y otras de sus propiedades estelares. Por otra parte, estas propiedades estelares, pueden influir en la climatología y la capacidad de albergar exoplanetas en dichas estrellas. Por ejemplo, mientras el giro se ralentiza, también lo hace la generación de manchas estelares, y las tormentas solares que se asocian a estas. Menos manchas solares significa menos intensidad de radiación dañina disparada al espacio que irradia a planetas cercanos y la emergencia potencial de biosferas.

“El cumulo estelar de Las Pléyades facilita un enlace para los modelos teóricos de la rotación estelar que abarca tanto a las viejas como jóvenes estrellas,” dijo Rebull. “Aún tenemos mucho que aprender de cómo, cuándo y porque las estrellas decrecen su rango de giro y cuelgan sus 'zapatillas de baile' por decirlo de alguna manera.” 

Rebull y sus compañeros están ahora analizando información de la misión K2 en cuanto a cúmulos más viejos, Praesepe, popularmente conocido como el pesebre, para ampliar más conocimientos de este fenómeno de la estructura estelar y su evolución. 

“Estamos muy emocionados con la información de K2 sobre cúmulos estelares, tales como el de Las Pléyades, ya que han facilitado el avance de nuestros conocimeintos de cómo rotan las estrellas y sus vidas,” dijo Steve Howell, científico de proyecto de la misión K2 en el Centro de Investigación de Ames de la NASA en Moffett Field, California.

La forma de estudiar las estrellas de la misión K2 usa la habilidad de la nave espacial Kepler para medir de forma precisa cambios minúsculos en el brillo de la luz de las estrellas. La misión principal de la Kepler acabó en 2013, pero se continua la observación de mas ex planetas y trabajos de astrofísica de la misión K2, que ha comenzado en 2014. 

El centro en Ames gestiona la misión Kepler y a la K2 para el directorio científico de la NASA. El Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Pasadena, California es gestiona el desarrollo de la misión Kepler. La corporación Ball Aerospace & Technologies operan el sistema de navegación con ayuda del Laboratorio para la Fisica Atmosferica y Espacial en la Universidad de Colorado en Boulder.

Fuentes: NASA/JPL-Caltech/UCLA