¿Por qué los telescopios espaciales pueden ver a través de una nebulosa planetaria?

Digamos que tenemos una capa esférica de algún material que emite luz, mucho más grande que la estrella que rodea. Si miramos hacia el centro del caparazón, nuestra línea de visión nos lleva a través de solo una pequeña cantidad de gas, no lo suficiente como para que haya una emisión significativa. Por otro lado, si miramos la nebulosa cerca del borde exterior, nuestra línea de visión nos lleva a través de mucho más material:

^{Inspirado en parte por una imagen de esta pieza de Phil Plait .}

Si mira a través de más material emisor de luz, verá una emisión más fuerte que si mira a través de menos material, por lo que en este modelo de juguete percibiríamos que los bordes tienen una emisión más fuerte. Entonces, una nebulosa esférica no conduciría a una emisión uniforme a lo largo de nuestra vista transversal de la misma.

Este modelo esférico simple es válido para algunos casos, pero ciertamente no para todos, particularmente porque muchas nebulosas no son esféricas ( Wikipedia afirma que solo ~20% son verdaderamente esféricas, lo cual no he podido verificar). Por ejemplo, sabemos que la Nebulosa del Anillo no es en realidad una esfera porque el brillo de la superficie central es mucho más bajo de lo que predeciría el efecto de proyección que describí anteriormente. Algo más claramente debe estar pasando. En este caso, la discrepancia se resuelve por el hecho de que la Nebulosa del Anillo es una nebulosa bipolar, con su eje a lo largo de nuestra línea de visión, con un denso anillo de gas alrededor de su ecuador . Por lo tanto, hay más material cerca de sus bordes que en su centro desde nuestra perspectiva, por lo que vemos más emisión.

Respuesta corta

El gas delgado en una nebulosa solo absorbe una parte de la luz de la estrella correspondiente a un pequeño subconjunto del espectro visible general, de acuerdo con la composición molecular correspondiente de la nebulosa. Incluso para estos rangos espectrales limitados, la estrella sigue siendo visible en una nebulosa, ya que el gas puede ser demasiado delgado para absorber toda la energía emitida por la estrella.

Respuesta larga

La opacidad del gas depende de la frecuencia según su composición y temperatura. Por ejemplo, Monteiro et al. [2013] en Propiedades físicas y químicas resueltas espacialmente de la nebulosa planetaria NGC 3242 muestran una figura de espectro típica de un píxel particular de la nebulosa NGC 3242 (Fantasma de Júpiter) (lejos de la estrella central):

Los picos y valles en la figura anterior corresponden a moléculas particulares en la nebulosa de gas que emiten y absorben energía en los rangos de longitud de onda visible de la luz (de 4000 a 7000 angstroms). Los picos más grandes alrededor de la longitud de onda 5000A son probablemente oxígeno doblemente ionizado . Ver: ¿ Por qué las líneas O III son tan prominentes en los espectros de las nebulosas de emisión cuando la cantidad de oxígeno en relación con el hidrógeno es un millón de veces menor? para más detalles.

Las estrellas, por otro lado, tienden a tener un espectro de emisión más amplio consistente con un cuerpo negro térmico. Aquí hay un ejemplo de Sloan Digital Sky Survey :

Entonces, a lo largo de las frecuencias de luz para las cuales el gas de la nebulosa es mayormente transparente, ciertamente podemos esperar ver la estrella central.

Barria & Kimeswenger [2018], en análisis de imágenes HST/WFPC2 y modelado nublado de las nebulosas planetarias de múltiples capas NGC 3242, NGC 6826 y NGC 7662, muestran figuras en escala de grises derivadas de imágenes filtradas del Telescopio Hubble en longitudes de onda de luz correspondientes a diversas emisiones moleculares. Aquí hay un ejemplo para NGC 3242 (Fantasma de Júpiter):

Los píxeles más oscuros de la imagen corresponden a mayores emisiones de energía. La estrella varía en intensidad de energía en comparación con el gas por frecuencia, pero aún es visible arriba en las cuatro longitudes de onda. Este no es el caso de NGC 7662 (nebulosa bola de nieve), que está completamente oscurecida por un estrecho espectro elegido de emisiones de oxígeno y nitrógeno.

Sin embargo, nuevamente en el espectro óptico completo, la estrella central de NGC 7662 es claramente visible:

La respuesta es bastante simple: también puede ver el otro lado de la habitación (o tal vez a través del humo o la neblina sobre su horno) cuando prepara una comida sabrosa, incluso cuando el espacio entre usted y la pared no está vacío: está lleno de aire. Pero el aire es lo suficientemente delgado como para que puedas ver a través de él, incluso cuando podría ser lo suficientemente espeso como para absorber un poco de luz y emitir un poco de luz. Una analogía quizás más astronómica: desde el espacio ves que la Tierra tiene una capa delgada a través de la cual también puedes mirar :)

En el espacio, las densidades de las que hablamos son MUCHO menores que aquí en la Tierra en el aire. Incluso una nebulosa planetaria es, según los estándares terrestres, un vacío extremadamente bueno (100... 100000 partículas/centímetro cúbico en comparación con 10 billones de billones de partículas por centímetro cúbico de aire).