Binaria ultracompacta en 47 Tuc

• Título del artículo técnico: The ultracompact nature of the black hole candidate X-ray binary 47 Tuc X9
• Autores: Arash Bahramian, Craig O. Heinke, Vlad Tudor, James C.A. Miller-Jones, Slavko Bogdanov, Thomas J. Maccarone, Christian Knigge, Gregory R. Sivakoff, Laura Chomiuk, Jay Strader, Javier A. Garcia, Timothy Kallman
• Institución del primer autor:  University of Alberta, Edmonton.
• Estado: Aceptado en MNRAS 

Ubicación, Ubicación, Ubicación

La ubicación es importante en bienes raíces pero también parece ser un factor importante a tener en cuenta cuando se busca estrellas en sistemas binarios y, aún más importante, cuando se buscan estrellas viejas y muertas en sistemas de dos estrellas. Para este propósito, un ambiente denso y lleno de estrellas (como en un cúmulo de estrellas) pero lo suficientemente viejo para que las estrellas hayan tenido tiempo de evolucionar e interactuar entre ellas (como en un cúmulo globular) parece ser el lugar perfecto.

En el artículo de hoy, los autores buscan en uno de estos grupos densos y viejos de estrellas para estudiar un peculiar tipo de sistema binario llamado “binarias compactas”. Las binarias compactas son aquellos sistemas binarios donde al menos uno de sus constituyentes es un objeto compacto; es decir, una enana blanca, una estrella de neutrones o bien un agujero negro. En estos sistemas binarios, si las estrellas están lo suficientemente cerca una de la otra, puede ocurrir acreción (o transferencia de masa) de una estrella a la otra. La acreción origina todo tipo de fenómenos diferentes, incluyendo la emisión de rayos X y la formación de un disco de acreción alrededor del objeto compacto acretor (ver figura 1).

Los autores examinaron una fuente de rayos X muy brillante llamada X9. Esta se encuentra en el centro del cercano y denso cúmulo globular 47 Tuc. Debido a su proximidad, 47 Tuc ha sido bien estudiado y se sabe que en él se encuentra una vasta gama de exóticos sistemas binarios compactos.

Impresión artística de una estrella enana blanca (izquierda) en órbita alrededor de un agujero negro y tan cerca de este que gran parte de su material está siendo atraído hacia el agujero negro. El agujero negro en sí está rodeado por una nube de gas ionizado, llamado disco de acreción. El mismo contiene grandes cantidades de oxígeno. Credito: X-ray: NASA/CXC/University of Alberta/A.Bahramian et al.; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss.

La emisión de rayos X de X9 en el núcleo de 47 Tuc se ha conocido desde los años 80, habiendo sido observada por el antiguo Observatorio Einstein, el cual fue el primer telescopio completamente de rayos X en el espacio. Desde entonces X9 ha sido estudiada con ROSAT, Chandra, NuStar y otros telescopios de rayos X en el espacio. Pero este sistema también ha sido observado en otras longitudes de onda, incluyendo el ultravioleta y en el espectro visible, siendo observado por ejemplo con el telescopio Hubble.

Hasta hace poco, las observaciones de rayos X y los datos ópticos sugerían que X9 era un tipo de sistema binario llamado “variable cataclísmica”. Estas variables son un tipo especial de binarias compactas en las que una enana blanca está acretando material de una estrella de secuencia principal (una estrella como nuestro Sol). Los argumentos se basaron en las altas energías de los fotones observados en el espectro de rayos X. La dureza (esto es, la energía) del espectro de rayos X puede ayudar a distinguir entre una binaria de rayos X (binarias donde el objeto acretor es una estrella de neutrones o agujero negro) y una variable cataclísmica donde el acretor es una enana blanca.

La evidencia indicaba que X9 era probablemente una variable cataclísmica magnética donde la fuente principal de rayos X era radiación “bremsstrahlung”. De los datos ópticos tomados de X9 se había detectado una estrella donante no muy brillante y muy azul. También se confirmó la presencia de un disco de acreción en el sistema. Observando los espectros obtenidos por medio de Hubble, se pudo detectar una emisión de carbono de doble pico. Esta línea de emisión de dos picos se forma en un disco de acreción debido al desplazamiento doppler de las partes del disco que orbitan en la parte más externa del disco.

La sorpresa

No fue hasta 2015 que se dudó de la naturaleza de X9, gracias a una observación detallada de las ondas de radio de 47 Tuc. La detección de una contraparte de radio a X9 significaba que una variable cataclísmica no era la explicación más plausible para X9.

Los nuevos datos de radio abrieron la posibilidad de que X9 era más bien una estrella de neutrones o un agujero negro que acreta a partir un objeto azul poco brillante, posiblemente una enana blanca. En otras palabras, X9 sería una binaria de rayos X formada por dos objetos compactos: un agujero negro (o estrella de neutrones) que se alimenta de una enana blanca. Estos objetos exóticos se llaman Binarias de Rayos X Ultra Compactas (en inglés, Ultra Compact X-Ray Binaries) y esta sería la primaria binaria de rayos X ultra compacta (UCXB) en 47 Tuc y apenas una más de un puñado de otras detectadas. Estos objetos son verdaderos laboratorios astrofísicos debido a la exótica combinación de dos objetos compactos cercanos y de la peculiar composición química que esto implica. Además, estos constituyen fuentes de ondas gravitacionales en el régimen de baja frecuencia donde la misión ESA LISA será sensible.

Los autores del artículo de hoy decidieron estudiar más a fondo la posibilidad de que X9 fuera una UCXB. Para esto, se estudiaron los datos de archivo de X9 y también se hicieron nuevas observaciones en diversas longitudes de onda, incluyendo ondas de radio y de rayos X.

Lo nuevo

Al estudiar los datos de rayos X, nuevos y archivados, los autores pudieron encontrar el período orbital de la binaria de rayos X. Se detectó una señal periódica de 28 minutos en los datos de Chandra/ACIS de varios años. Esta señal periódica de corta duración, que probablemente sea el período orbital, valida en parte la hipótesis UCXB. Este tipo de binarias tiende a tener períodos orbitales cortos de menos de una hora.

También se estudiaron los espectros de emisión de rayos X de X9 en los datos de Chandra. El espectro obtenido muestra fuertes líneas de emisión de oxígeno. Esto, junto con las observaciones anteriores del sistema por Hubble, sugieren que el material de acreción es rico en oxígeno y carbono. Una posible explicación sería que la estrella donante es un tipo especial de enana blanca que tiene carbono y oxígeno en su núcleo.

Usando los datos de radio y de rayos X tomados de manera simultanea, los autores pudieron refutar la hipótesis de que X9 era una variable cataclísmica. Estos graficaron X9 en el plano LR-LX (ver figura 2). La posición de X9 en la gráfica LR-LX excluye que X9 sea una variable cataclísmica pero no se puede discriminar entre una estrella de neutrones o un agujero negro como posibilidades para el objeto acretor. Si se confirma la hipótesis de que el objeto que se alimenta de la enana blanca es una estrella de neutrones, X9 pertenecería a un exótico grupo de binarias de rayos X llamado pulsares de milisegundo transicional (en inglés, Transitional Millisecond Pulsars).

Correlación de luminosidad en Radio (eje y) y en ondas de rayos X (eje X) para binarias de rayos X y de hoyos negros de masas estelares. X9 se encuentra justo debajo de la linea de correlación de binarias de rayos X de baja masa con hoyos negros. Los autores utilizaron la posición en este gráfico para descartar la posibilidad de que X9 es una variable cataclismica, pero con el mismo no  pueden discriminar si la estrella acretora es una hoyo negro o bien una estrella de neutrones y X9 seria un pulsar de milisegundo transicional.

El último hallazgo de los autores es de otra modulación periódica presente en la señal. En los datos archivados de Chandra, se detectó una modulación periódica de 6 días. Los autores sugieren que esta modulación se asocia con un fenómeno llamado “Superhumps”. Estos “superhumps” son modulaciones periódicas debido a la precesión de un disco de acreción elíptico causado por las fuerzas de marea presentes en el sistema. Esto ocurre en sistemas de masas extremas y estaría conforme con el modelo de que X9 es un sistema UCXB de un hoyo negro alimentándose de una enana blanca.

Utilizando datos nuevos y archivados de diferentes longitudes de onda de 47 Tuc y X9, los autores proporcionan buenas evidencias de la naturaleza de esta poderosa fuente de rayos X. Todavía quedan sin respuestas algunas preguntas sobre X9. Solamente el tiempo y más observaciones en diferentes longitudes de onda permitirán la confirmación de la naturaleza de la estrella que acumula y de la estrella donante en la poderosa fuente de rayos X, X9.