Requieres de dos para bailar tango: enanas blancas eclipsantes presionan a la relatividad general a su límite

• Título original: General Relativistic Orbital Decay in a Seven-Minute-Orbital-Period Eclipsing Binary System
• Autores del articulo: Kevin B. Burdge, Michael W. Coughlin, Jim Fuller, Thomas Kupfer, Eric C. Bellm, Lars Bildsten, Matthew J. Graham, David L. Kaplan, Jan van Roestel, Richard G. Dekany, Dmitry A. Duev, Michael Feeney, Matteo Giomi, George Helou, Stephen Kaye, Russ R. Laher, Ashish A. Mahabal, Frank J. Masci, Reed Riddle, David L. Shupe, Maayane T. Soumagnac, Roger M. Smith, Paula Szkody, Richard Walters, S. R. Kulkarni, Thomas A. Prince
• Institución del primer autor: División de Física, Matemáticas y Astronomía, Instituto Tecnológico de California (Caltech)
• Estado de la publicación: aceptado a Nature Letters
• Astrobite original: It Takes Two to Tango: Eclipsing White Dwarfs Push General Relativity to its Limit, por Wynn Jacobson-Galan.

Crédito de la imagen destacada: Caltech/IPAC

Los Extremos de las Estrellas Binarias

El 50% de las estrellas se forman con un amigo. Sin embargo, entre la multitud de relaciones estelares en este universo, las enanas blancas binarias eclipsantes son unas de las más intensamente dinámicas (Figura 1). Cada estrella en esta configuración es un remanente de una estrella solar que ha derramado sus capas de hidrógeno y helio exteriores para dejar atrás un núcleo estelar compacto. La enana blanca que es creada es aproximadamente la misma masa que la de nuestro sol, ¡aunque se encuentre dentro de una esfera de tamaño del diámetro de la Tierra! Fascinantes en su singularidad, estas estructuras estelares, cuando orbitan entre sí a un ritmo creciente, crean alguno de los eventos más extremos del universo. A diferencia de los estudios centrados en sistemas estables de enanas blancas, estas binarias eclipsantes proveen una oportunidad rara e increíblemente precisa para estudiar la estructura de una enana blanca incluyendo su relación incierta entre su masa y su radio. Observar las revoluciones rápidas de este sistema binario, nos permite explorar nuevos territorios sobre las dinámicas orbitales, la evolución de sistemas binarios y la física de ondas gravitacionales.

Una Órbita dentro de un Pajar

Sabemos que las enanas blancas binarias pueden orbitarse en menos de 10 minutos – toma mucho más tiempo llegar al final de la página de nuestros medios sociales, hablar de un fin de semana con un amigo o disfrutar una bolsa de papas. Así que, dentro de las billones de estrellas del Milky Way, cómo podemos encontrar estos sistemas binarios elusivos cuya iluminación cambia en tan poco tiempo? Bueno, necesitas un telescopio potente que examina al cielo toda la noche, cada noche. Y esto existe! La Fábrica de Transitorios Zwicky (o ZTF por sus siglas en inglés) observa el cielo del norte completo y colecciona datos de todas las estrellas que puede. Al ver las curvas de luz de 20 millones de estrellas con cambios periódicos en su iluminación, los autores de este artículo encontraron una joya escondida llamada ZTF J1539+5027: unas enanas blancas binarias eclipsantes con un periodo orbital de sólo 6.91 minutos.

Cuando se hizo su descubrimiento, el equipo se puso a trabajar en un modelo de las características físicas de cada enana blanca del sistema. El periodo orbital (Figura 2) comprobó que las estrellas binarias consistían en una más grande enana blanca primaria (0.6 M⊙) acompañada por una más pequeña secundaria (0.2 M⊙). De su espectro orbital, fue estimado una temperatura de ~50,000 Kelvin, lo cual también reveló la composición de carbono y oxígeno de la enana primaria y la estructura de puro helio de la secundaria.

Decadencia Orbital en la Gravedad de Einstein

La relatividad general predice el comportamiento de sistemas binarios como el de ZTF J1539+5027 e indica que van a emitir radiación en la forma de ondas gravitacionales. Esto ocurre con estos objetos increíblemente densos mientras que continuan a acercarse el uno al otro, reduciendo el tamaño de su órbita y produciendo ondas substanciales en la curvatura del espacio-tiempo. Los autores prueban esto al delinear la decadencia orbital de ZTF J1539+5027 con datos anteriores, lo cual comprobó que el periodo orbital había estado disminuyendo constantemente desde el 2009 (Figura 3a). Esto está en acuerdo directo con los principios de la relatividad general. ¡Otro triunfo para Einstein! Además, usando los parámetros del modelo del sistema binario, los autores cuantificaron la cantidad de radiación gravitacional emitida por ZTF J1539+5027 en frecuencias específicas (Figura 3b).

El Futuro de las Binarias Eclipsantes

Ahora que sabemos las características físicas del sistema, cuál es el siguiente paso para ZTF J1539+5027? En el futuro cercano, este sistema va a ser uno de los candidatos ideales para estudiar con la Antena de Laser Interferométrica en el Espacio (LISA por sus siglas en inglés). LISA está planeado ser lanzada en 2034 y sus láseres van a extenderse a una distancia de 2.5 millones de kilómetros en el espacio para detectar ondas gravitacionales. Similar a cómo vemos las fusiones de agujeros negros con LIGO, LISA va a ser sensible a un nuevo rango de frecuencias y fuentes de ondas gravitacionales. En anticipación a estas futuras observaciones, los autores calcularon que la frecuencia de la onda gravitacional de ZTF J1539+5027 es 4.8 mHz, lo cual es casi igual a la frecuencia más sensible para LISA!

Hay una variedad de conclusiones propuestas para la amistad compacta de ZTF J1539+5027. La decadencia de órbita del sistema va a continuar por aproximadamente otros 130,000 años hasta que el periodo orbital llegue a ser alrededor de 5 minutos. En este punto, la enana blanca secundaria va a expandirse y dar una cantidad de masa substancial a la primaria. Aquí es donde las predicciones llegan a ser más imprecisas: las enanas blancas se pueden fusionar para formar una estrella R Coronae Borealis más grande (el caso más probable) o chocar con la otra y detonar una explosion supernova termonuclear (menos probable). Como no podemos esperar por > 100,000 años, al descubrir más de estas binarias extremas nos va a dar soluciones para la evolución binaria compacta y la producción de ondas gravitacionales.