Astrónomos descubren “araña cósmica” emitiendo poderosos rayos gamma

Se trata del primer sistema binario descubierto que se encuentra en la penúltima etapa de su evolución y que fue investigado por el telescopio SOAR, operado por NOIRLab/AURA en Chile.

12 Enero 2022

Utilizando el telescopio SOAR de 4,1 metros en Chile, los astrónomos descubrieron el primer ejemplo de un sistema binario en el que la estrella que se está transformando en una enana blanca, se encuentra orbitando una estrella de neutrones que acaba de convertirse en un púlsar que gira rápidamente. El par estelar, originalmente fue detectado por el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, y se trata de un eslabón perdido en la evolución de este tipo de sistemas binarios.

Desde Chile, científicos lograron determinar que una brillante y misteriosa fuente de rayos gamma corresponde en realidad a una estrella de neutrones que gira a una enorme velocidad (que recibe el nombre de púlsar de milisegundo), y que además se encuentra orbitando otra estrella en proceso de convertirse en una enana blanca de masa extremadamente baja. Los astrónomos llaman a este tipo de sistemas binarios como spiders (arañas en inglés), ya que el púlsar tiende a “devorar” las partes exteriores de la compañera estelar a medida que se convierte en una enana blanca.

Este dúo estelar fue detectado por los astrónomos en Chile, utilizando el Telescopio SOAR de 4,1 metros en el Cerro Pachón, en la Región de Coquimbo, un Programa de NOIRLab de NSF y de Observatorio AURA en Chile.

Por su parte, y desde su lanzamiento en 2008, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA ha estado catalogando objetos en el Universo que producen rayos gamma. Sin embargo, no todas las fuentes de rayos gamma que detecta han sido clasificadas. Una de ellas, que los astrónomos nombraron 4FGL J1120.0-220, era la segunda fuente de rayos gamma más brillante que se había logrado identificar en el cielo hasta ahora.

Astrónomos de Estados Unidos y Canadá, dirigidos por Samuel Swihart del Laboratorio de Investigación Naval de Estados Unidos en Washington, D.C., utilizaron el espectrógrafo Goodman que se encuentra instalado en el telescopio SOAR para determinar la verdadera identidad de 4FGL J1120.0-2204. De este modo se logró demostrar que la fuente de rayos gamma, que también emite rayos X, según lo observado por los telescopios espaciales Swift de la NASA y XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea (ESA), es un sistema binario que está compuesto por un "púlsar de milisegundos" que gira cientos de veces por segundo, y por el precursor de una enana blanca de masa extremadamente baja. Esta pareja estelar única se encuentra a más de 2.600 años luz de distancia de la Tierra.

“El tiempo dedicado de la Universidad Estatal de Michigan al telescopio SOAR, su ubicación en el hemisferio sur y la precisión y estabilidad del espectrógrafo Goodman, fueron todos aspectos importantes para el descubrimiento”, precisó Swihart.

“Este es un gran ejemplo de la forma en que los telescopios de tamaño mediano en general, y SOAR en particular, pueden ser utilizados para ayudar a individualizar descubrimientos inusuales realizados con otras instalaciones terrestres o en el espacio”, agregó Chris Davis, Director de Programa de NOIRLab en la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos. “Podemos anticipar que SOAR va a jugar un rol crucial en el seguimiento de muchas otras fuentes de mensajeros múltiples y variables en el tiempo durante la próxima década”.

El espectro óptico del sistema binario observado por el espectrógrafo Goodman mostró que la luz de la estrella que se está convirtiendo en enana blanca presenta un efecto Doppler —con corrimientos alternados hacia el rojo y el azul—, lo que indica que la naciente enana blanca orbita alrededor de una masiva y compacta estrella de neutrones cada 15 horas.

“Los espectros también nos permitieron restringir la temperatura aproximada y la gravedad superficial de la estrella compañera”, indicó Swihart, cuyo equipo tomó estas propiedades y las aplicó a los modelos para describir cómo los sistemas binarios evolucionan. Esto les permitió determinar que la compañera es la precursora de una enana blanca de masa extremadamente baja, con una temperatura superficial de 8.200 °C (15.000 °F), y con una masa de apenas el 17% de la de nuestro Sol.

Cuando una estrella con una masa similar o menor a la del Sol llega al final de su vida, se queda sin el hidrógeno que necesita para alimentar los procesos de fusión nuclear en su núcleo. Durante un tiempo el helio asume esta tarea y otorga energía a la estrella. Sin embargo, eso produce que la estrella se contraiga y que aumente su temperatura, provocando consecuentemente su expansión hasta convertirse en una gigante roja con un tamaño de cientos de millones de kilómetros. En algunas circunstancias, las capas externas de esta estrella gigante pueden acumularse en una compañera binaria y la fusión nuclear se detiene, dejando una enana blanca del tamaño de la Tierra con temperaturas superiores a 100.000 °C (180.000 °F).

La enana blanca primitiva del sistema 4FGL J1120.0-2204 aún no ha terminado de evolucionar:  “Actualmente se encuentra hinchada, y tiene un radio cinco veces más grande que una enana blanca normal de masa similar”, explicó Swihart. “Continuará enfriándose y contrayéndose, y en unos dos mil millones de años, se verá idéntica a la mayoría de las enanas blancas de masa extremadamente baja que ya conocemos”.

Por su parte, los púlsares de milisegundos giran cientos de veces por segundo. El impulso del giro lo obtienen de la acumulación de material de una compañera, que en este caso corresponde a la estrella que se está convirtiendo en enana blanca. La mayor parte de los púlsares de milisegundos emiten rayos gamma y rayos X, a menudo cuando el viento del púlsar (que consiste en una corriente de partículas cargadas que emanan de la estrella de neutrones) choca con el material que emite la estrella acompañante.

Se conocen cerca de 80 enanas blancas de masa extremadamente baja, pero “esta es la primera precursora de una enana blanca de masa extremadamente baja que encontramos orbitando una estrella de neutrones”, expresó Swihart. En consecuencia, 4FGL J1120.0-2204 representa una mirada única al final de este proceso de aceleración. El resto de los sistemas binarios de enanas blancas y púlsares que se han descubierto, han superado con creces la etapa de giro.

“La espectroscopía de seguimiento con el Telescopio SOAR, que apuntó a fuentes detectadas por Fermi, nos permitió observar que la compañera estaba orbitando algo”, expresó Swihart. “Sin esas observaciones no habríamos sido capaces de encontrar este emocionante sistema”, concluyó.

Más Información

Esta investigación fue presentada en el artículo “4FGL J1120.0–2204: A Unique Gamma-ray Bright Neutron Star Binary with an Extremely Low Mass Proto-White Dwarf”, a publicar en The Astrophysical Journal.

El equipo de investigación está compuesto por Samuel J. Swihart (National Research Council Research Associate, National Academy of Sciences and US Naval Research Laboratory, Washington, DC), Jay Strader (Center for Data Intensive and Time Domain Astronomy, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University), Elias Aydi (Department of Physics, McGill University, Canada), Laura Chomiuk (McGill Space Institute, McGill University, Canada), Kristen C. Dage (McGill Space Institute and Department of Physics, McGill University, Canada), Adam Kawash (Center for Data Intensive and Time Domain Astronomy, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University), Kirill V. Sokolovsky (Center for Data Intensive and Time Domain Astronomy, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University) and Elizabeth C. Ferrara (Department of Astronomy at the University of Maryland, and Center for Exploration and Space Studies (CRESST) at NASA Goddard Space Flight Center).

NOIRLab de NSF (Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de NSF), el centro de EE. UU. para la astronomía óptica-infrarroja en tierra, opera el Observatorio internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brasil, MINCyT–Argentina y KASI – República de Corea), el Observatorio Nacional de Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (operado en cooperación con el National Accelerator Laboratory (SLAC) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en Iolkam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea, en Hawai‘i, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y la veneración que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, para la comunidad nativa de Hawai‘i y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.

Contactos

Samuel Swihart
National Research Council Research Associate
National Academy of Sciences, resident at the US Naval Research Laboratory
Tel: +1 269 944 9282
Correo electrónico: samuel.swihart.ctr@nrl.navy.mil

Amanda Kocz
NSF’s NOIRLab Communications
Tel: +1 520 318 8591
Correo electrónico: amanda.kocz@noirlab.edu

Esta es una traducción del Comunicado de Prensa de NOIRLab noirlab2202.