Astrónomos descubren la primera población de estrellas binarias despojadas de su envoltura de hidrógeno

Astrónomos de la Universidad de Toronto han descubierto una población de estrellas masivas que han sido despojadas de su envoltura de hidrógeno por sus compañeras en sistemas binarios. Los hallazgos, publicados hoy en Science, arrojan luz sobre las estrellas calientes de helio que se cree que son el origen de las supernovas de colapso con núcleo pobre en hidrógeno y de las fusiones de estrellas de neutrones. En este descubrimiento, los astrónomos utilizaron los telescopios Magallanes de LCO.

Durante más de una década, los científicos han teorizado que aproximadamente una de cada tres estrellas masivas son despojadas de su envoltura de hidrógeno en sistemas binarios. Sin embargo, hasta ahora sólo se había identificado un posible candidato.

“Se trataba de un agujero enorme y evidente”, explica Maria Drout, coautora del estudio, profesora adjunta del Departamento de Astronomía y Astrofísica David A. Dunlap de la Universidad de Toronto y colaboradora del Instituto Dunlap de Astronomía y Astrofísica.

Impresión artística de una estrella masiva que despoja a su compañera de su envoltura de hidrógeno en un sistema binario, dejando tras de sí un núcleo expuesto caliente y rico en helio. Fotografía: Navid Marvi, Carnegie Institution for Science.

“Si resulta que estas estrellas son raras, entonces todo nuestro marco teórico para todos estos fenómenos diferentes es erróneo, con implicaciones para las supernovas, las ondas gravitacionales y la luz de galaxias lejanas”, afirma Drout. “Este hallazgo demuestra que estas estrellas realmente existen. En el futuro, vamos a ser capaces de hacer una física mucho más detallada con estas estrellas”, afirma Drout. “Por ejemplo, las predicciones sobre cuántas fusiones de estrellas de neutrones deberíamos ver dependen de las propiedades de estas estrellas, como la cantidad de material que se desprende de ellas en los vientos estelares. Ahora, por primera vez, podremos medirlo, mientras que antes se extrapolaba”, agrega.

Las estrellas binarias despojadas se han evocado anteriormente para explicar por qué un tercio de las supernovas de colapso del núcleo contienen mucho menos hidrógeno que una explosión típica de una estrella Supergigante Roja. Drout y sus colegas proponen que estas estrellas recién descubiertas acabarán explotando como supernovas pobres en hidrógeno. También se cree que estos sistemas estelares son necesarios para formar fusiones de estrellas de neutrones, como las que emiten ondas gravitacionales detectadas desde la Tierra por el experimento LIGO.

De hecho, los investigadores creen que unos pocos objetos de su muestra actual son estrellas despojadas con compañeras estrellas de neutrones o agujeros negros. Estos objetos se encuentran en la fase inmediatamente anterior a convertirse en sistemas de estrellas de neutrones dobles o estrellas de neutrones más agujeros negros que podrían llegar a fusionarse.

Muchas estrellas forman parte de una danza cósmica con una compañera, orbitando una alrededor de la otra en un sistema binario. Al igual que los humanos somos seres sociales, las estrellas, especialmente las masivas, rara vez están solas.

“Muchas estrellas forman parte de una danza cósmica con una pareja, orbitando entre sí en un sistema binario. No son gigantes solitarias, sino parte de dúos dinámicos que interactúan y se influyen mutuamente a lo largo de sus vidas”, explica Bethany Ludwig, estudiante de doctorado en el Departamento de Astronomía y Astrofísica David A. Dunlap y tercera autora de este trabajo. “Nuestro trabajo arroja luz sobre estas fascinantes relaciones, revelando un universo mucho más interconectado y activo de lo que imaginábamos”.

“Al igual que los humanos somos seres sociales, las estrellas también, especialmente las masivas, rara vez están solas”, afirma Ludwig.

A medida que las estrellas evolucionan y se expanden hasta convertirse en gigantes rojas, el hidrógeno de los bordes exteriores de una de ellas puede desaparecer por la atracción gravitatoria de su compañera, dejando al descubierto un núcleo de helio muy caliente. Este proceso puede durar decenas de miles o incluso cientos de miles de años.

Drout y sus colaboradores comenzaron su búsqueda en 2016. Tras haber estudiado las supernovas pobres en hidrógeno durante su doctorado, Drout se propuso encontrar las estrellas despojadas que se pensaba que estaban en el corazón de las mismas durante una beca postdoctoral Hubble de la NASA en los Observatorios de la Institución Carnegie para la Ciencia. Conoció en una conferencia a su coautora Ylva Götberg, ahora profesora adjunta del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), que había construido recientemente nuevos modelos teóricos sobre el aspecto que deberían tener estas estrellas.

Drout, Götberg y sus colaboradores diseñaron un nuevo estudio para observar la parte ultravioleta del espectro, donde las estrellas extremadamente calientes emiten la mayor parte de su luz. Aunque es invisible a simple vista, la luz ultravioleta puede detectarse con instrumentos y telescopios especializados.

Utilizando datos del telescopio ultravioleta/óptico Swift, los investigadores recopilaron el brillo de millones de estrellas de la Gran Nube y la Pequeña Nube de Magallanes, dos de las galaxias más cercanas a la Tierra. Ludwig desarrolló el primer catálogo UV de campo amplio de las Nubes de Magallanes y utilizó la fotometría UV para detectar sistemas con emisiones UV inusuales, señal de la posible presencia de una estrella despojada.

Llevaron a cabo un estudio piloto de 25 objetos, obteniendo espectroscopia óptica con los Telescopios Magallanes en el Observatorio Las Campanas entre 2018 y 2022. Utilizaron estas observaciones para demostrar que las estrellas eran calientes, pequeñas, pobres en hidrógeno y se encontraban en sistemas binarios, todo ello consistente con las predicciones de su modelo.

En la actualidad, los investigadores siguen estudiando las estrellas identificadas en este artículo y ampliando su búsqueda para encontrar más. Buscarán tanto en galaxias cercanas como en nuestra propia Vía Láctea con programas aprobados en el Telescopio Espacial Hubble, el Telescopio de Rayos X Chandra, los Telescopios Magallanes y el Telescopio Anglo-Australiano. Como parte de esta publicación, todos los modelos teóricos y datos utilizados para identificar estas estrellas se han hecho públicos y están a disposición de otros científicos.

Entre las instituciones colaboradoras se encuentran la Universidad de Toronto, los Observatorios de la Carnegie Institution for Science, Max-Planck-Institut für Astrophysik, Anton Pannekoek Institute for Astronomy, Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics y Steward Observatory.

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