Usando microlentes para medir masas de enanas blancas

• Título del artículo original: “A Predicted Astrometric Microlensing Event by a Nearby White Dwarf”
• Autores: P. McGill, L. C. Smith, N. Wyn Evans, V. Belokurov, R. L. Smart
• Institución del primer autor: Institute of Astronomy, University of Cambridge, Reino Unido
  

Estado de la publicación: Publicado en MNRAS el 19 de Abril de 2018.

Esta mañana el Sol estaba brillando tan grande como siempre, pero un día dejará de hacerlo. Ese día el Sol aumentará en tamaño y se convertirá en una gigante roja, una estrella enorme que lentamente se despoja de sus capas más externas para al final de sus días, dejar al descubierto su núcleo. Se convertirá en una enana blanca.

Una enana blanca es una estrella pequeña y muy caliente, compuesta principalmente por materia degenerada ¿Que la materia qué? Sé que el concepto de ‘materia degenerada’ puede ser nuevo para ti, así que lo voy a explicar. La materia en su estado ‘normal’ ocupa un cierto espacio determinado y dependiendo de la temperatura del sistema hay configuraciones en que la materia está más compacta. Esta materia es la que estudiaste durante tu educación secundaria, la que se comporta como un gas ideal (PV=nrT). El problema es que en las estrellas, la presión en el centro es tal que la materia comienza a compactarse a extremos insospechados. Cuando la materia en el centro de la estrella es comprimida por efectos de la gravedad, alcanza temperaturas tan altas que los protones se comienzan a fusionar en una reacción que lleva 4 protones a convertirse en un átomo de Helio. Pero llega un momento en que ya no quedan suficientes protones en el núcleo porque éste se llenó de Helio. El Helio por su parte necesita una temperatura mucho mayor para poder generar fusión, por lo que la estrella deja de generar energía en su núcleo (la genera en capas alrededor del núcleo), y eventualmente, el núcleo sólo está siendo comprimido. La compresión es tan inmensa que es ahí cuando la materia comienza a comportarse de manera extraña. La naturaleza permite sólo que 2 electrones compartan un estado de energía y debido a la presión extrema producida por la gravedad, los electrones comienzan a llenar y llenar estados de energía para poder, de alguna manera, contrarrestar a la gravedad. La materia está ahora degenerada. Los niveles de energía están llenos.

Como podrás imaginar, este núcleo de materia degenerada está descrito por una física muy extrema, pero que afortunadamente está bien entendida por la comunidad. Y las Enana Blanca (‘White Dwarf’ en inglés) son precisamente el núcleo degenerado que deja la estrella al final de una larga vida.

Gracias al amplio entendimiento de los procesos físicos que producen las enanas blancas, se han encontrado relaciones teóricas para determinar la masa y el radio de estas (conocida en inglés como Mass Radius Relation – MRR). Las cantidades que se necesitan para usar estos modelos – como la temperatura y la gravedad superficial de la estrella – son determinadas mediante modelos atmosféricos, los que implican suposiciones que pueden no ser correctas para todos los tipos de enanas blancas.

Es aquí donde finalmente entra en juego el artículo del día de hoy: podemos determinar la masa de una enana blanca de una manera independiente a los modelos atmosféricos si es que tenemos la posibilidad de medir el efecto de su gravedad en la luz ¡Así tendríamos una nueva forma de testear los modelos teóricos que determinan la relación masa-radio!

Recordemos que A. Einstein describió la gravedad de manera tal que hoy en día podemos explicar y entender más fenómenos que ocurren en la naturaleza. Por ejemplo, sabemos que una lente gravitacional es producida cuando la luz encuentra en su camino una gran masa y al pasar a través de ella, toma un camino diferente debido a que el espacio está curvado por la gran masa. Esto genera imágenes magnificadas e incluso nuevas fuentes. En la figura 2 podemos ver un diagrama de un lente gravitacional. Lo maravilloso es que si sabemos la distancia al lente, podemos determinar la masa del lente ¡Mira este astrobito para saber más acerca de los lentes gravitacionales!

Lo que los investigadores están buscando es ser capaces de predecir el próximo evento de microlente gravitacional que nos pueda dar una medición de la masa de la estrella que está haciendo de lente. Precisamente, están buscando que suceda el tránsito que está representado en el panel de arriba de la figura 3.  No tiene que ser necesariamente una enana blanca, pero el único candidato que encontraron lo es, y como entendemos bien el concepto de lente gravitacional, podemos obtener la masa del lente si sabemos su distancia.

 

En pocas palabras, un evento de microlente es cuando ocurre un lente gravitacional con una lente poco masiva y por un corto periodo de tiempo (porque la lente se está moviendo).  La masa no tiene que necesariamente ser enorme para provocar un desvío en la luz y dependiendo de la separación angular entre la lente y la fuente, es posible que cambie la posición del centroide del objeto magnificado.

¡Como sabemos cómo funcionan las lentes gravitacionales, si logramos determinar la separación angular de la imagen, podremos determinar la masa del lente! También podemos inferir la masa del lente usando la magnificación producida, pero en este caso en particular, la lente no incrementa tanto el brillo de la fuente.

Un elemento importante en el evento de microlente es que la lente tiene que pasar por delante del objeto. Para ello usaron el catálogo Tycho-Gaia Astrometric Solution que contiene información precisa sobre el movimiento de los objetos de la galaxia. Del catálogo seleccionaron las fuentes con movimientos propios significativos, y determinaron cuántos de estos objetos van a interponerse ante otra fuente, a fin de generar un microlente.

Los autores usaron astrometría de precisión para poder determinar cuál es la separación angular del objeto con respecto a la imagen modificada por el lente. Para ello recurrieron al catálogo GAIA, una misión espacial europea que principalmente se dedica a medir con alta precisión la posición de los astros. ¡Aquí un astrobito sobre GAIA!

Esta combinación de datos solo dio un candidato: una enana blanca a 4.1 parsecs se está moviendo hacia una estrella en el fondo (mira la figura 4), y en Noviembre de 2019 esta predicho por este grupo el mínimo en separación angular debido al evento de microlente. Este evento fue simulado, para tener una idea de la viabilidad en la observación. Los resultados de la simulación están en la figura 5 y la conclusión es que el microlente producirá un cambio indetectable en brillo, pero la posición del centroide del objeto será medible.

El equipo de científicos logró crear una herramienta para predecir los próximos eventos de microlentes que podrían ser muy útiles en el futuro para determinar si las teorías se ajustan a las observaciones. Es importante mencionar que la misión GAIA está a punto de realizar su segundo ‘Data Realease’ ¡lo que significa que un montón de nuevos eventos de microlente están apunto de ser descubiertos!