El nacimiento de una ‘nueva estrella’

• Título: A Nova Outburst Powered by Shocks .
• Autores: Kwan-Lok Li, Brian D. Metzger, Laura Chomiuk et al.
• Institución del primer autor: Michigan State University, Estados Unidos de América.
• Estado del artículo: aceptado en Nature Astronomy.

11 de Marzo, 1437 a. C., astrónomos coreanos presenciaron el nacimiento de una ‘nueva estrella’ en la constelación del escorpión.  Este nuevo cuerpo celeste duraría alrededor de unos 14 días en el cielo antes de desaparecer de nuevo.  Registros estelares de eventos de estrellas nuevas efímeras, como la de 1437, existen desde la antigüedad y tales eventos han intrigado a los científicos durante milenios. Pero la explicación de estas estrellas nuevas o ‘novas’, tendría que esperar hasta el surgimiento de la física cuántica y la construcción de mejores telescopios. No hasta la segunda mitad del siglo XX, los astrónomos comprendieron que estos nuevos objectos observados están asociados a un particular tipo de sistemas binarios llamados variables cataclísmicas.

Las variables cataclísmicas son un grupo especial de estrellas binarias en las que una enana blanca, una estrella de aproximadamente la masa de nuestro Sol pero del tamaño de la Tierra, acreta material de una estrella ‘normal’ de la secuencia principal. Las estrellas de la secuencia principal, así como nuestro Sol y a diferencia de las enanas blancas, todavía tienen hidrógeno en su núcleo para fusionar y convertir en Helio. En las enanas blancas es la presión de degeneración de los electrones, y no la fusión nuclear,  lo que contrarresta la fuerza de gravedad. A medida que la enana blanca acreta material de la estrella donante, este material se acumula en su superficie. Este material rico en hidrógeno, un buen combustible nuclear, es comprimido por la fuerte gravedad de la enana blanca y su temperatura aumenta hasta llegar a miles de millones de grados centígrados. Temperatura a la cual puede ocurrir una explosión termonuclear en la superficie de la estrella. Durante esta tremenda explosión más de 10²⁶ kilogramos (es decir más de 50 veces la masa de la Tierra) son expulsados a velocidades que superan los 1000 kilómetros por hora. Durante esta explosión la estrella alcanza una luminosidad de más de un millón de veces la del Sol creando así temporalmente una nueva estrella brillante en el firmamento.

Figura 1:Representación artística de una explosión nova
Se cree que una explosión de nova clásica se produce en la superficie de una enana blanca (centro derecha) con una estrecha estrella complementaria (centro izquierda, una secuencia principal parecida al Sol o una estrella más evolucionada). Cuando la distancia entre dos estrellas es lo suficientemente cerca, el gas externo del compañero empieza a acumularse en la superficie de la enana blanca a través de un disco de acreción. La capa de gas más gruesa en la enana blanca aumenta su temperatura y densidad. El aumento de temperatura permite que ocurra una  reacción nuclear en una fina capa de gas sobre la superficie de una enana blanca. El resultado de esta reacción es una energética explosión que expulsa parte de la materia acumulada. (Crédito: NAOJ)

Entender en detalle la física detrás de estas explosiones energéticas termonucleares es importante para entender la evolución química de las galaxias. Debido a la cantidad de material expulsado y la regularidad de estos eventos, las novas representan una fuente importante de litio y otros materiales en las galaxias. También este tipo de sistemas que dan lugar a las novas podrían ser los precursores de las supernovas tipo Ia. Las supernovas tipo Ia han sido utilizadas con éxito como ‘candelas estándar‘ para medir distancias cósmicas e incluso la expansión del universo.

En el articulo de hoy los autores estudiaron la nova Sgr 2016d en la constelación de sagitario. Sgr 2016d en un periodo de varias semanas alcanzó una magnitud máxima de 5.4 en noviembre de 2016. Sgr 2016d no solo fue una nova brillante en luz visible, pero también es de las más brillantes jamás detectadas en rayos gamma. De hecho las curvas de luz en el óptico y la de rayos gamma muestran una notable correlación. Esta correlación sería la primera prueba observacional de que ondas de choque se forman durante estas explosiones, y que estas ondas serían las responsables de producir no solo los rayos gamma pero también la mayoría de la luz visible observada. Esta correlación entre la emisión de rayos gamma y luz visible contradice el modelo actual de transporte radiativo en una nova. El modelo estándar sugiere que la mayoría de la luz visible se produciría debido a procesos energéticos en la superficie caliente de la enana blanca y no en las ondas de choque.

Figura 2: Correlación entre la luz óptica y de rayos gamma. El panel superior (a) muestra los rayos gamma (cruces negros y grises y flechas rojas) y las curvas de luz (círculos azules y negros). Los datos fueron obtenidos por Fermi-LAT y ASASSN/AAVSO.

Analizando también las curvas de luz visible y de rayos gamma los autores también pudieron determinar el proceso exacto de formación de los rayos gamma. Estos rayos gamma de alta energía observados pueden ser producidos por la colisión de iones, o por la interacción de electrones y fotones (llamados modelos hadrónicos o leptonicos). La razón de luz visible a emisión de rayos gamma sugiere un modelo hadrónico para la emisión de estos rayos gamma producidos en las ondas de choque. La energía de los rayos gamma detectados también sugiere que el campo magnético juega un rol importante en la producción de partículas y de la radiación electromagnética en las novas. La presencia de un fuerte campo magnético sería necesario en este sistema para poder acelerar las partículas a energías de más de 100 giga-electronvoltios.

Las novas son verdaderos laboratorios estelares que nos permiten estudiar procesos nucleares y radiativos en condiciones imposibles de recrear en la tierra. Solo nuevas observaciones simultaneas en varias longitudes de ondas, como las del artículo de hoy, podrán mejorar nuestro entendimiento de estos fascinantes eventos que han intrigado por milenios a tantas civilizaciones.