El despertar de una “nueva” estrella

• Título: “The awakening of a classical nova from hibernation”
• Autores: Przemek Mróz, Andrzej Udalski, Paweł Pietrukowicz, Michał K. Szymański, Igor Soszyński, Łukasz Wyrzykowski, Radosław Poleski, Szymon Kozłowski, Jan Skowron, Krzysztof Ulaczyk, Dorota Skowron & Michał Pawlak
• Institución del primer autor: Warsaw University Observatory, Aleje Ujazdowskie 4, 00-478 Varsovia, Polonia.
• Estado: Publicado en Nature el 17 de Agosto de 2016.

Crédito de la imagen destacada: Ilustración de una explosión nova clásica. / K. Ulaczyk-Warsaw University Observatory

Las enanas blancas son estrellas “muertas” que representan el destino de más del 90% de las estrellas en el universo, incluyendo nuestro Sol. En estos objetos compactos, o estrellas “muertas”, es la presión de degeneración de los electrones, y no la fusión nuclear como en las estrellas de secuencia principal igual a nuestro Sol, la responsable de contrarrestar la fuerza de la gravedad. Estas estrellas son objetos exóticos que nos permiten estudiar fenómenos imposibles de recrear en laboratorios aquí en la tierra. Hoy prestamos especial atención a cuando una enana blanca se encuentra en un sistema binario con una estrella de secuencia principal de baja masa. Es decir, una estrella como nuestro Sol, pero más roja y de menor masa. Estos sistemas son conocidos como variables cataclísmicas (VC), y son la fuente de poderosas explosiones visibles a decenas de años luz.  Registros de estas explosiones cataclísmicas, o estrellas nuevas en el cielo, existen desde hace miles de años.

Las variables cataclísmicas son estrellas binarias en las cuales una enana blanca se alimenta o acreta materia de una estrella de secuencia principal de baja masa. En las variables cataclísmicas, y demás binarias compactas semi-separadas (binarias de rayos X de baja y alta masa), la transferencia de masa o acreción desde la estrella de secuencia principal (o estrella secundaria), es a través del punto de Lagrange L1. Esto sucede cuando ambas se orbitan lo suficientemente cerca y la estrella de secuencia principal llena lo que se le conoce como lóbulo de Roche. El material transferido por el desbordamiento del lóbulo forma un disco de acreción entorno a la enana blanca debido a la conservación del momento angular, ver figura 1.

Figura 1: Representación artística de una variable cataclísmica. Crédito: STScI

Dependiendo de la tasa de acreción, las VC pueden presentar diferentes inestabilidades que se traducen en erupciones o cambios drásticos en la luminosidad del sistema. A estas erupciones se les conoce como nova clásica y nova enana. Las novas clásicas suceden cuando, debido a la transferencia de masa hacia la enana blanca, la superficie de ésta se calienta lo suficiente pasando la temperatura crítica para ignición de la fusión nuclear. Cuando esto pasa, una explosión termonuclear sucede, liberando gran cantidad de energía y materia y aumentando la luminosidad de la VC varios órdenes de magnitud. En cambio, las novas enanas son erupciones debido a una inestabilidad en el disco de acreción, como resultado de una baja tasa de transferencia de masa. Estas erupciones son periódicas y el aumento en la luminosidad del sistema es menor al provocado por la erupción termonuclear de la nova clásica. Las VC se clasifican en nova enanas, nova clásicas, y tipo-novas (en inglés nova-like), dependiendo de qué tipo de erupción presentan o no, y la tasa de acreción. Las VC tipo-nova no muestran ninguna tipo de erupción,  y en cambio son VC con una alta tasa estable de transferencia de masa. La tasa estable significa que mantienen un nivel constante de luminosidad, y por su alta tasa de transferencia de masa no erupcionan como novas enanas.

La teoría que explica el comportamiento de estos tres tipos de VC está bien comprendida, lo que todavía es debatible es la relación entre los tipos de VC y el enlace entre ambos estados de transferencia de masa: alta tasa (VC tipo nova) y baja tasa (nova enana). Un mecanismo para explicar cómo ambos estados están conectados en algunos sistemas es la teoría de “hibernación”. Esta postula que la nova clásica y nova enana representan diferentes fases en la evolución de un mismo sistema. Esto explicaría la razón de que se encuentren ambos tipos de sistemas, nova clásicas y nova enanas, a un mismo período orbital.

La teoría dice que una fracción de la energía liberada en la nova clásica calentaría la enana blanca incrementando así la irradiación de ésta hacia la estrella secundaria. Lo que produce una expansión de la estrella secundaria, el desbordamiento del lóbulo de Roche seria mayor y esto se traduce en un aumento de la tasa de acreción produciendo una VC tipo nova. Con el tiempo la enana blanca se enfría, permitiendo a la estrella secundaria volver a su tamaño original y disminuyendo así la tasa de transferencia. La VC entra un periodo de “hibernación” por la baja tasa de acreción debido a la perdida de material de la estrella secundaria durante su periodo anterior de alta transferencia de masa. Durante esta etapa de hibernación la VC es casi imperceptible hasta que sale de esta fase volviendo a aparecer como nova enana, para luego volver a explotar como nova clásica. Es decir, las VC pasan por un proceso cíclico de periodos de alta tasa de transferencia, luego de una nova clásica, seguidos de un periodo de baja tasa de acreción. Esto significa que las novas clásicas duran la mayor parte de su vida como sistemas de baja transferencia de masa (hibernando) antes de volver a explotar violentamente como nova al alcanzar la temperatura crítica de fusión nuclear debido a la transferencia de masa a la superficie.

Varias observaciones han sugerido que este proceso se presenta en las VC conocidas. Algunas pistas de que esto pasa incluyen la observación de un caparazón de materia alrededor de varias novas enanas. Estos restos de materia sugieren que una nova clásica, responsable de la materia expulsada, habría sucedido en el pasado. Además, se han observado novas clásicas que en el pasado, o luego de hacer erupción, han exhibido comportamiento de tipo nova enana.

Pero hasta ahora no se tenía prueba directa de una VC pasando por las diferentes fases del proceso de hibernación, a medida que esta cambia su tasa de acreción. Los autores del artículo de hoy observaron la nova clásica V1213 antes y después de su erupción en 2009. Estos utilizaron observaciones fotométricas comprendidas entre el 2003 y el 2016 del experimento de lente gravitacional óptico (OGLE, por sus siglas en inglés).

En la data presentada, los autores observaron que antes de que V1213 erupcionara como nova clásica, esta VC presentaba erupciones de tipo nova enana. Es decir, se encontraba en un estado de baja transferencia de masa. Luego de ésta haber explotado como nova clásica, los autores se percataron de un incremento en la tasa de acreción en V1213. Es decir, se comportaba como una VC de tipo nova como resultado de la explosión nova, ver figura 2.

Fig. 2: Curva de luz de V1213 Cen. a) muestra la variación en magnitud (mientras menor el valor, más brillante), en función del tiempo (fecha juliana). b-d) detalles de la figura a) en los años 2003, 2004 y 2009. Las curvas de luz observadas en los tres paneles son características de una nova enana. La flecha roja en el panel d indica el comienzo de la erupción nova. e) muestra la curva de luz de V1213 luego de la erupción nova. La luminosidad es mayor (menor magnitud) que la observada para V1213 anterior a la explosión nova. Esto sugiere una mayor tasa de acreción debido a la nova. Las variaciones en la curva de luz son debido al movimiento orbital del sistema.

Todavía restan muchas incertidumbres sobre el proceso de hibernación de las VC. Actualmente, V1213 sigue apagándose y con un destino incierto. La teoría de hibernación predice que ésta seguirá apagándose reduciendo su tasa de acreción hasta volver a ser una nova enana, luego de un periodo de “hibernación”, y antes de volver a explotar como una nova en algunos miles de años. Sólo a través de observaciones continuas de esta VC sabremos si esto es en efecto lo que pasará con V1213. El estudio extensivo de esta interesante VC nos permitirá estudiar la evolución de las novas a largo plazo y entender mejor estos exóticos y energéticos sistemas binarios.