¿Cómo se forman los sistemas binarios de estrellas? Los astrónomos finalmente resuelven el misterio

Una espectacular explosión de supernova, más de mil millones de veces más brillante que nuestro sol, marcó el nacimiento de una estrella de neutrones que orbita alrededor de su caliente y densa compañera. Ahora, estos dos remanentes densos están destinados a formar una espiral entre sí en aproximadamente mil millones de años, y finalmente se fusionan y producen algunos de los elementos más pesados ​​conocidos del universo.

La explosión ocurrió en una galaxia similar a nuestra propia Vía Láctea, a casi 920 millones de años luz de distancia. Un pequeño telescopio en el observatorio Palomar en California detectó los primeros fotones de la supernova, llamada "iPTF 14gqr", solo unas horas después de la explosión, cuando era 10 veces más caliente que la superficie de nuestro sol. A medida que el brillo de la supernova evolucionó durante las próximas dos semanas, un equipo internacional de astrónomos usó los datos para rastrear el origen de la explosión hasta una estrella masiva con un radio 500 veces mayor que la del sol.

Pero no fue solo el tamaño gigante de la estrella lo que hizo que este descubrimiento fuera particularmente notable. Lo que era inusual era que la estrella también parecía ser la más ligera de todas las estrellas gigantes en explosión conocidas. Esta estrella masiva había sido robada de casi toda su masa, tal vez por un compañero en órbita densa. Cuando explotó, dejó atrás una estrella de neutrones recién nacida que continuó orbitando a su compañera.

Comprender la formación de sistemas estelares binarios en los que dos estrellas súper densas se orbitan entre sí siempre ha sido un enigma. Estas supernovas fugaces que producen estos densos sistemas binarios de estrellas son raras y difíciles de encontrar, porque aparecen y desaparecen rápidamente en el cielo, aproximadamente cinco veces más rápido que una supernova típica.

Esta primera observación de una supernova "ultra-despojada", que mis colegas y yo detallamos en un nuevo estudio, no solo proporciona información sobre la formación de estos sistemas sino que también revela las etapas finales en la vida de estas estrellas masivas únicas que han sido saqueados de toda su masa antes de morir.

Resolviendo un misterio de larga data

Las estrellas nacidas con más de ocho veces la masa del sol rápidamente se quedan sin combustible y sucumben a la gravedad al final de sus vidas, colapsando sobre sí mismas y explotando en una supernova. Cuando esto sucede, todas las capas externas de la estrella, unas pocas veces la masa del sol, se dispersan.

Cuando comencé a trabajar con mi consejera, Mansi Kasliwal, como nueva estudiante graduada, decidí estudiar supernovas que se desvanecían rápidamente. Minando la base de datos de eventos descubiertos por iPTF, me encontré con iPTF 14gqr, una supernova que se desvanecía rápidamente y fue descubierta hace más de un año, pero cuya verdadera naturaleza física seguía siendo misteriosa.

Los datos fueron desconcertantes porque nuestros modelos preliminares sugirieron que esta supernova fue causada por la muerte de una estrella gigante masiva, pero la explosión en sí misma fue bastante débil. Expulsó solo una quinta parte de la masa del sol, mientras que su energía era solo una décima parte de una supernova típica. ¿Dónde estaba toda la materia y energía que faltaban?

Las pistas indicaron que la estrella explosiva debe haber sido despojada de casi toda su masa original antes de la explosión. Pero, ¿qué podría haber robado tanta materia de esta estrella gigante? Tal vez un compañero binario invisible?

Comencé a leer sobre los raros escenarios de estrellas binarias, cuando me topé por primera vez con la idea de "supernovas ultra-stripped".

Supernovas Ultra-Stripped

Cuando una estrella masiva tiene una estrella compañera binaria densa y cercana, la intensa atracción gravitacional de la compañera puede privar a su confiado vecino de casi toda su masa antes de que explote, de ahí el término "ultra-despojado".

La supernova ultra-despojada deja atrás una estrella de neutrones, un cadáver estelar denso que gira rápidamente y que contiene un poco más que la masa del sol atrapada en una región del tamaño del centro de Los Ángeles. Esta estrella de neutrones está atrapada en una órbita apretada alrededor de su compañera. El compañero es posiblemente otra estrella de neutrones, o incluso una enana blanca o un agujero negro que se formó a partir de una estrella masiva que murió varios millones de años antes de su compañero.

Tales sistemas binarios han sido un campo importante de investigación astrofísica durante varias décadas. Hemos observado directamente muchos de estos sistemas en nuestra propia galaxia con telescopios ópticos y de radio. La primera detección indirecta de ondas gravitacionales provino de observaciones de un sistema de estrella de doble neutrón. Más recientemente, la primera fusión de un sistema de estrellas de neutrones dobles fue detectada por LIGO avanzado y en ondas electromagnéticas en 2017, lo que brindó a los astrónomos información única sobre el funcionamiento de la gravedad y el origen de los elementos pesados ​​en el universo.

Sin embargo, ha permanecido durante mucho tiempo un misterio sobre cómo se forman las estrellas binarias. Sabemos que las estrellas de neutrones se forman en explosiones de supernova. Pero, para obtener estrellas de neutrones binarias, necesitas un binario de dos estrellas masivas para comenzar. Sin embargo, se requiere un equilibrio preciso de fuerzas para asegurarse de que las estrellas de neutrones binarias se mantengan lo suficientemente estables como para sobrevivir a las dos explosiones violentas que crean el sistema.

Varias líneas de evidencia indirecta sugieren que están formadas en una clase muy rara de débiles explosiones de supernova ultra-stripped. Pero estas débiles explosiones habían escapado hasta ahora a la detección directa. Esta primera evidencia de observación para una supernova ultra-despojada abre una oportunidad para comprender la formación de sistemas binarios de estrellas de neutrones apretados.

Escaneando los cielos en busca de explosiones infantiles

Nuestra supernova fue descubierta durante la encuesta intermedia Palomar Transient Factory (iPTF). La encuesta automática iPTF usaba una cámara grande montada en un telescopio de 1 metro para tomar fotos del cielo todas las noches y buscar "nuevas estrellas". Una prioridad de búsqueda era buscar supernovas infantiles y señalar el origen.

Cada vez que se encuentra una nueva estrella, el robot de reconocimiento alerta inmediatamente a los astrónomos en servicio ubicados en una zona horaria completamente diferente para realizar el seguimiento. Esta estrategia, junto con una red global de telescopios, nos permitió atrapar a varias estrellas explosivas en acción y comprender cómo se veían justo antes de que explotaran. De hecho, ¡encontrar una extraña supernova ultra-despojada momentos después de la explosión fue una suerte de coincidencia!

Este evento único nos ha proporcionado la primera idea de la masa y la energía liberada en tales explosiones, el ciclo de vida de las estrellas masivas y la formación de estrellas binarias. Sin embargo, hay mucho más que aprender de una muestra más grande de estos eventos.

Con el Zwicky Transient Facilty, el sucesor de iPTF que puede escanear los cielos 10 veces más rápido, y una red global de telescopios llamada GROWTH, esperamos ser testigos de más explosiones ultra-stripped, comenzando un nuevo episodio en nuestra comprensión de estos sistemas estelares únicos..

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation por Kishalay De. Lee el artículo original aquí.