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El telescopio espacial Hubble mide directamente la masa del núcleo sobreviviente de una estrella mue

Los astrónomos que utilizan el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA han medido por primera vez directamente la masa de una sola estrella enana blanca aislada, el núcleo sobreviviente de una estrella similar al sol quemada.

Los investigadores encontraron que la enana blanca es el 56 por ciento de la masa de nuestro Sol. Esto concuerda con las predicciones teóricas anteriores de su masa y corrobora las teorías actuales de cómo evolucionan las enanas blancas como el producto final de la evolución de una estrella típica. La observación única arroja información sobre las teorías de la estructura y composición de las enanas blancas.

Hasta ahora, las mediciones anteriores de masa de enanas blancas se han obtenido de la observación de enanas blancas en sistemas estelares binarios. Al observar el movimiento de dos estrellas en órbita conjunta, se puede usar la física newtoniana directa para medir sus masas. Sin embargo, estas mediciones pueden ser inciertas si la estrella compañera de la enana está en una órbita de largo período de cientos o miles de años. El movimiento orbital puede ser medido por telescopios sólo sobre una breve porción del movimiento orbital de la enana.


Esta ilustración muestra cómo la gravedad de una estrella enana blanca en primer plano deforma el espacio y dobla la luz de una estrella distante detrás de ella. Los astrónomos que utilizan el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA han medido por primera vez directamente la masa de una sola estrella aislada que no sea nuestro Sol, gracias a este truco óptico de la naturaleza. El objetivo era una enana blanca, el núcleo sobreviviente de una estrella quemada similar al Sol. Cuanto mayor es la desviación temporal e infinitesimal de la imagen de la estrella de fondo, más masiva es la estrella en primer plano. Los investigadores encontraron que la enana tiene el 56 por ciento de la masa de nuestro Sol.Este efecto, llamado lente gravitacional, se predijo como consecuencia de la teoría general de la relatividad de Einstein de hace un siglo. Las observaciones de un eclipse solar en 1919 proporcionaron la primera prueba experimental de la relatividad general. Pero Einstein no creía que se pudiera hacer el mismo experimento para estrellas más allá de nuestro Sol debido a la extraordinaria precisión requerida. Crédito: NASA, ESA, A. Feild

Para esta enana blanca sin compañero, los investigadores tuvieron que emplear un truco de la naturaleza, llamado microlente gravitacional. La luz de una estrella de fondo fue ligeramente desviada por la deformación gravitacional del espacio por la estrella enana en primer plano. A medida que la enana blanca pasaba frente a la estrella de fondo, la microlente hizo que la estrella apareciera temporalmente desplazada de su posición real en el cielo.

Los resultados se publican en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. El autor principal es Peter McGill, anteriormente de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido y ahora con sede en la Universidad de California, Santa Cruz.

McGill usó el Hubble para medir con precisión cómo la luz de una estrella distante se doblaba alrededor de la enana blanca, conocida como LAWD 37, haciendo que la estrella de fondo cambiara temporalmente su posición aparente en el cielo.

Kailash Sahu, del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland, EE.UU., el investigador principal del Hubble en esta última observación, utilizó por primera vez la microlente en 2017 para medir la masa de otra enana blanca, Stein 2051 B. Pero ese enano está en un sistema binario muy separado. “Nuestra última observación proporciona un nuevo punto de referencia porque LAWD 37 es todo por sí mismo”, dijo Sahu.

Los restos colapsados de una estrella que se quemó hace 1.37 millones de años, LAWD 15 ha sido ampliamente estudiada porque está a sólo <> años luz de distancia en la constelación de Musca. “Debido a que esta enana blanca está relativamente cerca de nosotros, tenemos muchos datos sobre ella, tenemos información sobre su espectro de luz, pero la pieza faltante del rompecabezas ha sido una medida de su masa”, dijo McGill.

El equipo se centró en la enana blanca gracias a la misión Gaia de la ESA, que realiza mediciones extraordinariamente precisas de casi dos mil millones de posiciones estelares. Se pueden usar múltiples observaciones de Gaia para rastrear el movimiento de una estrella. Con base en estos datos, los astrónomos pudieron predecir que LAWD 37 pasaría brevemente frente a una estrella de fondo en noviembre de 2019.


Este gráfico muestra cómo se utilizó la microlente para medir la masa de una estrella enana blanca. La enana, llamada LAWD 37, es una estrella quemada en el centro de esta imagen del Telescopio Espacial Hubble. Aunque su horno de fusión nuclear se ha apagado, el calor atrapado está chisporroteando en la superficie a aproximadamente 100,000 grados centígrados, causando que el remanente estelar brille ferozmente. El cuadro de inserción traza cómo la enana pasó frente a una estrella de fondo en 2019. La ondulada línea azul traza el movimiento aparente de la enana a través del cielo visto desde la Tierra. Aunque la enana está siguiendo una trayectoria recta, el movimiento de la Tierra a medida que orbita el Sol imparte un aparente desplazamiento sinusoidal debido al paralaje. (La estrella está a sólo 15 años luz de distancia. Por lo tanto, se está moviendo a un ritmo más rápido contra el fondo estelar). A medida que pasaba por la estrella de fondo más débil, el campo gravitatorio de la enana deformó el espacio (como predijo la teoría general de la relatividad de Einstein hace un siglo). Y esta desviación fue medida precisamente por la extraordinaria resolución del Hubble. La cantidad de desviación produce una masa para la enana blanca del 56 por ciento de la masa de nuestro Sol y proporciona información sobre las teorías de la estructura y composición de las enanas blancas. Esta es la primera vez que los astrónomos miden directamente la masa de una sola estrella aislada que no sea nuestro Sol.Credit: NASA, ESA, P. McGill (Universidad de California, Santa Cruz y Universidad de Cambridge), K. Sahu (STScI), J. Depasquale (STScI)

Una vez que se supo esto, el Hubble se utilizó para medir con precisión durante varios años cómo la posición aparente de la estrella de fondo en el cielo se desvió temporalmente durante el paso de la enana blanca.

“Estos eventos son raros, y los efectos son pequeños”, dijo McGill. “Por ejemplo, el tamaño de nuestro desplazamiento medido es como medir la longitud de un automóvil en la Luna visto desde la Tierra”.

Dado que la luz de la estrella de fondo era tan débil, el principal desafío para los astrónomos fue extraer su imagen del resplandor de la enana blanca, que es 400 veces más brillante que la estrella de fondo. Sólo el Hubble puede hacer este tipo de observaciones de alto contraste en luz visible.


Este gráfico muestra cómo se utilizó la microlente para medir la masa de una estrella enana blanca. La enana, llamada LAWD 37, es una estrella quemada en el centro de esta imagen del Telescopio Espacial Hubble. Aunque su horno de fusión nuclear se ha apagado, el calor atrapado está chisporroteando en la superficie a aproximadamente 100,000 grados centígrados, causando que el remanente estelar brille ferozmente. Los cuadros insertados a la derecha trazan cómo la enana pasó frente a una estrella de fondo en 2019. La ondulada línea azul traza el movimiento aparente de la enana a través del cielo visto desde la Tierra. Aunque la enana está siguiendo una trayectoria recta, el movimiento de la Tierra a medida que orbita el Sol imparte un aparente desplazamiento sinusoidal debido al paralaje. (La estrella está a solo 15 años luz de distancia y, por lo tanto, se mueve a un ritmo más rápido contra el fondo estelar). A medida que pasaba por la estrella de fondo más débil, el campo gravitatorio de la enana deformó el espacio (como predijo la teoría general de la relatividad de Einstein hace un siglo). Y esta desviación fue medida precisamente por la extraordinaria resolución del Hubble. La posición de desplazamiento de la enana es de color naranja. La cantidad de desviación produce una masa para la enana blanca del 56 por ciento de la masa de nuestro Sol, y esto proporciona información sobre las teorías de la estructura y composición de las enanas blancas. Esta es la primera vez que los astrónomos han medido directamente la masa de una sola estrella aislada que no sea nuestro Sol.La enana blanca tiene un “pico” porque es tan brillante que la luz “sangra” en el detector CCD de la cámara Hubble. Esto interfirió con una de las fechas de observación para medir la posición de esa estrella de fondo en el cielo. El gráfico de la brújula apunta a la orientación del objeto en la esfera celeste. El norte apunta al polo norte celeste que no es un punto fijo en el cielo, pero actualmente se encuentra cerca de la estrella Polaris, en la constelación circumpolar de la Osa Menor. Las coordenadas celestes son análogas a un mapa terrestre, aunque el este y el oeste se transponen porque estamos mirando hacia arriba en lugar de hacia abajo. Crédito: NASA, ESA, P. McGill (Univ. de California, Santa Cruz y Universidad de Cambridge), K. Sahu (STScI), J. Depasquale (STScI)

“Incluso cuando se ha identificado un evento de uno en un millón, sigue siendo extremadamente difícil hacer estas mediciones”, dijo Leigh Smith, de la Universidad de Cambridge. “El resplandor de la enana blanca puede causar rayas en direcciones impredecibles, lo que significa que tuvimos que analizar cada una de las observaciones del Hubble con mucho cuidado, y sus limitaciones, para modelar el evento y estimar la masa de LAWD 37”.

“La precisión de la medición de masa de LAWD 37 nos permite probar la relación masa-radio para las enanas blancas”, dijo McGill. “Esto significa probar la teoría de la materia degenerada (un gas tan súper comprimido bajo la gravedad que se comporta más como materia sólida) bajo las condiciones extremas dentro de esta estrella muerta”, agregó.

Los investigadores dicen que sus resultados abren la puerta a futuras predicciones de eventos con datos de Gaia. Además del Hubble, estas alineaciones ahora se pueden detectar con el Telescopio Espacial James Webb de la NASA / ESA / CSA. Debido a que Webb trabaja en longitudes de onda infrarrojas, el resplandor azul de una enana blanca en primer plano parece más tenue en luz infrarroja, y la estrella de fondo se ve más brillante.

Basado en los poderes predictivos de Gaia, Sahu está observando otra enana blanca, LAWD 66, con Webb. La primera observación se realizó en 2022. Se tomarán más observaciones a medida que la desviación alcance su punto máximo en 2024 y luego disminuya.

“Gaia realmente ha cambiado el juego: es emocionante poder usar los datos de Gaia para predecir cuándo sucederán los eventos y luego observarlos”, dijo McGill. “Queremos continuar midiendo el efecto de microlente gravitacional y obtener mediciones de masa para muchos más tipos de estrellas”.

Exactamente un siglo antes de esta última observación del Hubble, en 1919, dos expediciones organizadas por los británicos al hemisferio sur detectaron por primera vez este efecto de lente durante un eclipse solar el 19 de mayo. Fue aclamado como la primera prueba experimental de la relatividad general: que la gravedad deforma el espacio. Sin embargo, Einstein era pesimista de que el efecto podría detectarse para estrellas fuera de nuestro Sistema Solar debido a la precisión requerida. “Nuestra medición es 625 veces más pequeña que el efecto medido en el eclipse solar de 1919”, dijo McGill.

Referencia: NASA, ESA, P. McGill (Univ. de California, Santa Cruz y Universidad de Cambridge), K. Sahu (STScI), J. Depasquale (STScI). Univ. de California, Santa Cruz y Universidad de Cambridge

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