Com es formen els sistemes de estrelles binàries? Els astrònoms resolen finalment el misteri

Una espectacular explosió de supernova, més de mil milions de vegades més brillant que el nostre sol, va marcar el naixement d’una estrella de neutrons que orbitava sobre el seu company dens i dens. Ara, aquestes dues denses restes estan destinades a fer espiral entre si en uns mil milions d’anys, i finalment es fusionen i produeixen alguns dels elements més coneguts de l’univers.

L'explosió es va produir en una galàxia similar a la nostra Via Làctia, a prop de 920 milions d'anys llum de distància. Un petit telescopi de l’observatori de Palomar a Califòrnia va detectar els primers fotons de la supernova, anomenats "iPTF 14gqr", només unes hores després de l’explosió, quan era més de 10 vegades més calenta que la superfície del nostre sol. A mesura que la brillantor de la supernova va evolucionar durant les dues setmanes següents, un equip internacional d'astrònoms va utilitzar les dades per traçar l'origen de l'explosió a una estrella massiva amb un radi 500 vegades superior al del sol.

Però no era només la grandària gegant de l’estrella que va fer que aquest descobriment fos especialment rellevant. El que era inusual era que l'estrella semblés també la més lleugera de totes les estrelles gegants que exploten. Aquesta estrella massiva havia estat robada de gairebé tota la seva massa, potser per una densa parella en òrbita. Quan va esclatar, va deixar enrere una estrella de neutrons acabada de néixer que seguia orbitant el seu company.

Comprendre la formació de sistemes estel·lars binaris en què dues estrelles super denses s’orbiten entre si sempre ha estat un trencaclosques. Aquestes supernoves efímeres que donen aquests densos sistemes estel·lars binaris són rares i difícils de trobar, ja que apareixen i desapareixen ràpidament al cel, aproximadament cinc vegades més ràpid que una típica supernova.

Aquesta primera observació d'una supernova "extreta", que els meus companys i jo detallem en un nou estudi, no només proporciona informació sobre la formació d'aquests sistemes, sinó que també revela les etapes finals de les vides d'aquestes estrelles massives úniques que han estat saquejat tota la seva massa abans de morir.

Resoldre un misteri de llarga data

Les estrelles nascudes amb més de vuit vegades la massa del sol es queden ràpidament sense combustible i sucumben a la gravetat al final de les seves vides, col·lapsant-se i explotant en una supernova. Quan això succeeix, totes les capes exteriors de l’estrella, algunes vegades la massa del sol, estan disperses.

Quan vaig començar a treballar amb el meu assessor, Mansi Kasliwal, com a nou estudiant de postgrau, vaig decidir estudiar supernoves que s'esvaeixen ràpidament en brillantor. Mineria de la base de dades d'esdeveniments descoberta per iPTF, em vaig trobar amb iPTF 14gqr, una supernova ràpida que es va esvair que es va descobrir més d'un any abans, però la veritable naturalesa física va romandre misteriosa.

Les dades van ser desconcertants, ja que els nostres models preliminars van suggerir que aquesta supernova era causada per la mort d’una estrella gegant massiva, tot i que l’explosió en si mateixa era prou feble. Va expulsar només una cinquena part de la massa del sol, mentre que la seva energia era només una desena d’una supernova típica. On era la matèria i l'energia que faltaven?

Les pistes indiquen que l'estrella en explosió hauria d'haver estat despullada de gairebé tota la seva massa original abans de l'explosió. Però, què podria haver robat tanta matèria d’aquesta estrella gegant? Potser un company binari no vist?

Vaig començar a llegir sobre escenaris d’estrelles binaris poc freqüents, quan vaig descobrir per primera vegada la idea d’un "supernoves extradós".

Supernova extreta

Quan una estrella massiva té una estrella companya densa i pròxima, la intensa atracció gravitacional de l’acompanyant pot robar al seu veí desprevingut de gairebé tota la seva massa abans d’explotar-se, per tant, l’expressió "ultra-despullada".

La supernova ultrapreligada deixa darrera d’una estrella de neutrons, un cadàver estel·lar dens que gira ràpidament i que conté una mica més de la massa del sol que va entrar en una regió de la mida del centre de Los Angeles. Aquesta estrella de neutrons queda atrapada en una òrbita estreta al voltant del seu company. El company és possiblement una altra estrella de neutrons, o fins i tot una nana blanca o un forat negre format per una estrella massiva que va morir diversos milions d'anys abans que el seu company.

Aquests sistemes binaris han estat un camp important d’investigació astrofísica durant diverses dècades. Hem observat directament molts d'aquests sistemes a la nostra pròpia galàxia amb telescopis òptics i de ràdio. La primera detecció indirecta d'ones gravitacionals va sorgir a partir d'observacions d'un sistema estel·lar de neutrons dobles. Més recentment, el 2017 es va detectar la primera fusió d'un sistema estel·lar de neutrons dobles tant per les ones LIGO avançades com per les ones electromagnètiques el 2017, donant a astrònoms una visió única sobre el funcionament de la gravetat i l'origen dels elements pesants de l'univers.

No obstant això, durant molt temps s’ha quedat un misteri de la forma en què es formen les estrelles binaris. Sabem que les estrelles de neutrons es formen en explosions de supernoves. Però, per aconseguir estrelles binàries de neutrons, necessiteu un binari de dues estrelles massives per començar. No obstant això, requereix un equilibri precís de forces per assegurar-se que les estrelles de neutrons binàries es mantinguin prou estables per sobreviure a les dues violentes explosions que creen el sistema.

Diverses línies d’evidència indirecta suggereixen que es formen en una classe molt rara d’explosions de supernova de superfícies extremadament dèbils. Però fins ara aquestes febles explosions havien escapat de la detecció directa. Aquesta primera evidència observacional d’una supernova extradurada obre una oportunitat per entendre la formació de sistemes binaris d’estrelles de neutrons ajustats.

Exploració dels cels per a explosions infantils

La nostra supernova es va detectar durant l’enquesta intermèdia de la fàbrica transitòria de Palomar (iPTF). L'enquesta iPTF automatitzada va utilitzar una càmera gran muntada en un telescopi de 1 metre de mida per fer fotos del cel cada nit i explorar "estrelles noves". Una prioritat de cerca era la recerca de supernoves infantils i la identificació de l'origen.

Sempre que es troba una nova estrella, el robot de l’enquesta avisa immediatament els astrònoms de servei localitzats en una zona horària completament diferent per fer el seguiment. Aquesta estratègia, juntament amb una xarxa global de telescopis, ens va permetre capturar diverses estrelles en explosió en acció i entendre el que semblava just abans que explotessin. De fet, trobar una rara supernova de supernova despullada després de l’explosió va ser una coincidència afortunada!

Aquest únic esdeveniment ens ha proporcionat la primera visió de la massa i l'energia alliberada en aquestes explosions, el cicle de vida de les estrelles massives i la formació d'estrelles binaris. No obstant això, hi ha molt més que aprendre d’una mostra més gran d’aquests esdeveniments.

Amb el Zwicky Transient Facilty, el successor d'iPTF que pot escanejar els cels deu vegades més ràpid, i una xarxa global de telescopis anomenada GROWTH, esperem presenciar més explosions extretes, començant un nou episodi en la comprensió d'aquests sistemes estrella únics..

Aquest article va ser publicat originalment a The Conversation by Kishalay De. Llegiu l'article original aquí.