... Elham Ziaali (IAA-CSIC)

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Mi pasión por la astronomía - y en especial por las estrellas - surgió cuando leí un artículo que afirmaba que el Sol es, de hecho, la madre de todos los humanos. La idea de que las estrellas son la fábrica original de cada uno de los elementos de nuestro cuerpo me pareció tan asombrosa que no pude evitar sentirme cautivada por ellas. Esto me llevó a aceptar con entusiasmo los desafíos de estudiar la carrera de Física y a perseguir un Doctorado en Astronomía.  

Durante mis estudios doctorales en el Instituto de Investigación en Astronomía y Astrofísica de Maragheh (RIAAM), en Irán, me especialicé en el estudio de estrellas variables, especialmente en las estrellas pulsantes. Me di cuenta de que esta gran población de estrellas, algunas de las cuales podrían ser madres lejanas que albergan otros sistemas planetarios, representa más de la mitad de las estrellas visibles en un cielo nocturno oscuro, brillando y atenuándose gradualmente con el tiempo. Estas estrellas, conocidas como “estrellas pulsantes”, pueden cambiar de brillo en periodos tan cortos como cinco o seis horas. El tiempo que tarda una estrella en volver a su brillo original es uno de los criterios clave para clasificar estas estrellas y se conoce como período estelar. En función de esto, las estrellas pulsantes se clasifican en distintas clases, cada una de las cuales tiene distintos parámetros físicos, como la masa, la temperatura y el tipo espectral. 

La astrosismología es el campo de la astrofísica que se dedica a estudiar la estructura y las propiedades físicas de las estrellas mediante el análisis de sus pulsaciones. 

Mis estrellas pulsantes favoritas son las estrellas δ Scuti, que tienen algunos de los períodos de pulsación más cortos. Estas estrellas pueden alcanzar su brillo máximo y mínimo hasta cuatro o cinco veces en un solo día.  
 

La clase de estrellas pulsantes δ Scuti debe su nombre a la primera que se observó: la cuarta estrella más luminosa de la Constelación del Escudo (Scutum), que se localiza entre el Águila, la Serpiente y el Sagitario. Crédito: Go Astronomy
 

Generalmente, el brillo se representa en función del tiempo mediante una curva de luz, lo que permite cuantificar su variación y medir el período de la estrella. A cada período de oscilación de una curva de luz le corresponde un modo de pulsación, un modo de “sismo estelar”; es decir, una onda propagante caracterizada por cambios locales en la densidad o en la temperatura.

Las curvas de luz de las estrellas δ Scuti son bastante “embrolladas” y no pueden interpretarse de forma sencilla, ya que incluyen múltiples pulsaciones correspondientes a modos radiales —cuyo perfil depende solo de la coordenada radial— y a modos no radiales, cuyo perfil depende también de la latitud y la longitud. Las Low Amplitude Delta Scuti (LADS), tienen modos radiales y no radiales, ambos de baja amplitud, mientras las High Amplitude Delta Scuti (HADS) manifiestan solo dos o tres modos radiales dominantes, de gran amplitud. En las HADS, los modos dominantes pueden ir acompañados en la curva de luz por combinaciones de períodos radiales. Estos últimos indican la presencia de modos de oscilación no sinusoidales y son de particular interés, ya que aún no está claro su origen ni los mecanismos que los activan.

La curva de luz reconstruida a partir de los períodos obtenidos mediante los algoritmos de identificación modal, en algunos casos, no coincide con la observada debido a la presencia de fenómenos no lineales. Por lo tanto, para lograr una representación más precisa de las pulsaciones estelares originadas por dichas interacciones no lineales en el interior de las estrellas, es fundamental desarrollar nuevos enfoques que aborden eficazmente la dinámica no lineal de las oscilaciones estelares.

Este desafío nos motivó a aplicar el enfoque de redes complejas al estudio de estrellas pulsantes, una metodología ampliamente utilizada para analizar sistemas no lineales con elementos altamente interconectados en diversas disciplinas, como la biología, la economía, la ingeniería, la geofísica o la física solar. Así fue como, en enero de 2022, comencé mi primera investigación posdoctoral en la Universidad de Zanjan, en Irán, con un grupo que aplicaba el enfoque de redes complejas al estudio de las llamaradas solares (solar flares). Me centré en extender su aplicación a estrellas pulsantes, en particular a muestras de estrellas δ Scuti, incluyendo tanto HADS como LADS. 

Mediante un algoritmo de visibilidad, una curva de luz de una estrella pulsante se puede transformar en un grafo o red (network), donde los puntos de datos se representan como nodos y las conexiones entre ellos se establecen en función de su “visibilidad” en la curva de luz. Dos nodos están conectados si los dos correspondientes puntos de la serie temporal equivalente pueden “verse” mutuamente.  

Los primeros resultados revelaron diferencias estructurales significativas en las redes obtenidas para distintos tipos de estrellas pulsantes. En la Figura 1, se muestran diferencias topológicas entre el grafo de visibilidad de una estrella δ Scuti, y otras familias de estrellas pulsantes como estrellas de tipo solar y “gamma” Doradus.
 

Figura 1. Diferencias estructurales en la topología de las redes de visibilidad obtenidas para una estrella similar al Sol (izquierda), una estrella γ Dor (centro) y una estrella δ Scuti (derecha). Crédito: Elham Ziaali (IAA-CSIC)
 

Este hallazgo fue para mí muy emocionante, ya que demostró el potencial del enfoque de redes complejas para distinguir entre diferentes características de pulsación. En la Figura 2, ilustramos la construcción del Horizontal Visibility Graph (HVG, grafo de visibilidad horizontal), que considera sólo las líneas de visión horizontales entre puntos en la curva de luz. En esta figura, los puntos que tienen una línea de visión horizontal directa en la curva de luz están conectados en el HVG.  
 

Figura 2. Construcción del Grafo de Visibilidad Horizontal (HVG), considerando solo las líneas de visión horizontales entre puntos en la curva de luz (arriba), que se conectan en el HVG (abajo). Crédito: Elham Ziaali (IAA-CSIC)
 

Una vez construida la red, se miden diversas métricas, como la distribución de grados (degreee distribution), i.e. la distribución de probabilidad de que un nodo tenga n enlaces, el coeficiente de agrupamiento (clustering coefficient), es decir, la fracción promedio de estructuras de triángulos en torno a cada nodo (Figura 3), y la longitud media del camino más corto entre parejas de nodos.  

Las variaciones observadas en la topología de la red se vinculan directamente con diferencias en las métricas de la red, las cuales, a su vez, corresponden a propiedades clave en astrosismología y a características físicas de las estrellas.  
 

Figura 3. La distribución de grados representa la probabilidad de que un nodo tenga un cierto número de enlaces (arriba). El coeficiente de agrupamiento es la proporción de los enlaces reales de los vecinos de un nodo en relación con su forma completamente conectada (abajo). Crédito: Elham Ziaali (IAA-CSIC)
 

En marzo de 2024, me uní al equipo de preparación científica de la misión PLATO en el grupo de Variabilidad Estelar del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), uno de los grupos más reconocidos en la aplicación de nuevos enfoques y técnicas en la astrosismología, para continuar el desarrollo de la misma técnica de análisis.

Actualmente, el comportamiento de métricas clave derivadas del HVG construido para cada estrella δ Scuti sugiere que los procesos que generan las pulsaciones no son puramente aleatorios y proporciona información sobre la dinámica subyacente a las pulsaciones.  

En nuestra muestra de estrellas δ Scuti, el clustering coefficient permite diferenciar (o clasificar) eficazmente HADS y LADS. Esto sugiere que el clustering coefficient puede capturar la rugosidad de la curva de luz, es decir, las pequeñas fluctuaciones típicas de las LADS, y traducirla en un parámetro basado en redes, lo que podría tener aplicaciones valiosas para el estudio de otras clases de estrellas pulsantes.

Finalmente, estamos estableciendo un nuevo enfoque para superar los desafíos asociados con el análisis astrosísmico de estrellas pulsantes, con el objetivo de refinar nuestros resultados dentro de la muestra actual de δ Scuti y extender este método a otros tipos de estrellas pulsantes.