Como la Interacción de Estrellas Binarias puede afectar la Teoría actual de las Supernovas

• Título del artículo técnico: Delay-time distribution of core-collapse supernovae with late events resulting from binary interaction
• Autores: E. Zapartas, S.E. de Mink, R.G. Izzard, S.-C. Yoon, C. Badenes, Y. Götberg, A. de Koter, C. J. Neijssel, M. Renzo, A. Schootemeijer, and T. S. Shrotriya
• Institución del primer autor: University of Amsterdam, Amsterdam, The Netherlands
• Estado: Aceptado para publicación en Astronomy & Astrophysics
• Fecha de Publicación: 26 de enero de 2017

Figura 1. Sistema binario compuesto por dos estrellas orbitando alreador de un centro de masa común. Crédito: A.E. Russo.

Se conoce que una gran parte de las estrellas del universo son parte de sistemas binarios. Los sistemas binarios están compuestos de dos estrellas que orbitan mutuamente alrededor de un centro de masa común (Figura 1). Las estrellas más masivas del universo no son la excepción. Actualmente, se entiende que la mayoría de las estrellas más masivas, quienes son las estrellas progenitoras a las supernovas de tipo II, se encuentran en sistemas binarios. Por ende, estas estrellas pueden interactuar con sus compañeras estelares, ya sea en una transferencia de masa o por una fusión entre ambas estrellas. Se predice que las estrellas que tienen más de  8 M☉ terminan su vida de forma violenta, ya sea como una supernova de tipo II o formando un agujero negro. Sin embargo hasta el momento, la teoría que se ha desarrollado para describir estas supernovas no consideran la binariedad que poseen la mayoría de las estrellas del universo. En este artículo, los autores toman en consideración la interacción binaria entre las estrellas para estudiar la distribución de “tiempo de retraso” de supernovas, esto es, la tasa de supernovas como función de tiempo justo luego de un brote de formación estelar.

Los autores de este artículo encuentran que una fracción significativa, 15⁺¹⁵_-14%, de las supernovas tipo II están ‘retrasadas’, esto es, que ocurren luego de 50 – 200 millones de años luego de nacer, después que ya todas las estrellas singulares, que no son parte de sistemas binarios, han explotado. Estos eventos retrasados se originan predominantemente en sistemas binarios, con al menos una de las estrellas, o, en la mayoría de los casos, ambas estrellas teniendo una masa intermedia de 4 – 8 M_☉. Uno de los canales evolutivos principales que usualmente contribuyen a esto, es la fusión de la estrella primaria (la estrella más masiva del sistema binario) con su compañera estelar. Es importante reconocer que este tipo de interacciones entre estrellas binarias pueden afectar drásticamente la evolución estelar de ambas estrellas, y por ende influenciar cómo terminarán su vida. En este artículo los autores iniciaron una investigación teórica con el objetivo de cuantificar el impacto de la binariedad sobre las propiedades estadísticas esperadas cuando se analizan grandes muestras de supernovas de tipo II. Uno de los modelos más simples y más comunes que se utiliza en la comunidad científica para cuantificar poblaciones estelares es la Función de Masa Inicial. Esta función describe el número de estrellas que nacen con una masa determinada, es decir, el espectro de masas. El mismo concepto se puede utilizar para el espectro de edades (Figura 2), que es lo relevante en este estudio.

Figura 2. Función utilizada para cuantificar la distribución de edades de las estrellas progenitoras de Supernova tipo II. Ésta función consiste de tres parámetros,  la edad mínima, máxima y la pendiente de la distribución. Debido a que la edad de las estrellas, y la masa de la estrella están relacionadas, con esta distribución se puede inferir la masa correspondiente a una edad en específico. Crédito: M. Díaz-Rodríguez.

Los autores simularon eficientemente la evolución de estrellas singulares y de sistemas binarios, desde que nacen hasta que dejan la secuencia principal dejando una estrella compacta atrás. Para lograr la simulación, los investigadores tuvieron que asumir ciertas características de las estrellas para construir su modelo, tales como la metalicidad de las estrellas, la fracción de estrellas binarias que hay, el tiempo de vida de la estrella, los vientos estelares, la transferencia de masa entre el sistema binario, entre otras cosas. Estos valores fueron seleccionados basados en la teoría de investigaciones pasadas. Según el modelo que estos autores construyeron, la distribución de edades de las estrellas singulares no es completamente la misma si se considera la binariedad en el estudio (Figura 3).

Figura 3. Distribución de tiempo de retraso para Supernovas de tipo II. (a) Esta distribución está basada en los modelos singulares construidos por los autores. El diagrama muestra el número de eventos en función del tiempo para un brote de formación estelar de 10⁶ M_☉ de acuerdo al modelo seleccionado. El eje de arriba corresponde a la masa inicial de una estrella singular, con su edad correspondiente en el eje de abajo. Las estrellas más masivas evolucionan más rápido y terminan su vida en aproximadamente 3 millones de años. Luego de aproximadamente 48 millones de años, no se ve ningún evento de Supernova tipo II. (b) Distribución cuando se considera que la población estelar consiste de un 70% de sistemas binarios (gráfica verde) en comparación con la distribución de estrellas singulares (línea entre cortada negra).  La diferencia principal entre ambas distribuciones, es que cuando se considera binariedad se puede observar que una fracción de supernovas de tipo II que están ‘retrasadas’ (f_tardía= 15.5^+8.8_-8.3%), luego de que la estrella singular menos masiva explota (t ~ 48 millones de años). Crédito: Figura 2 y 3 del artículo original, E. Zapartas et al., 2017 (arXiv:1701.07032v1).

Los autores de éste artículo, encontraron una producción de un 14⁺¹⁵_-14% más de explosiones de supernova tipo II en comparación con el estudio de las estrellas singulares al incluir binariedad en la población estelar. La mayoría de los astrónomos utilizan el modelo que describe las estrellas singulares (Figura 3a). Es evidente que en este estudio se demuestra la importancia de incluir la binariedad en los modelos de supernovas, ya que hay una fracción significativa de estrellas (de 50 – 200 millones de años de edad), que están muriendo mucho más tarde que las estrellas singulares.