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Viudas negras y estrellas asesinas: el caso ZTF J1406+1222

¿Sabías que hay estrellas que asesinan a sus hermanas? Aunque no lo parezca, los astrónomos y las astrónomas a veces estudian crímenes. Estos pueden ocurrir en sistemas binarios, donde una de las estrellas emite una radiación tan energética que pueden llegar a evaporar su desafortunada compañera. A algunos de estos sistemas se les llama “viudas negras”, en honor a una especie de arañas que se comen a sus parejas sexuales, en donde una estrella de neutrones evapora a su cercana compañera, reduciéndola a un tamaño planetario si tiene suerte. Normalmente este crimen es descubierto en la frecuencia de radio, donde las estrellas de neutrones se muestran como púlsares en órbitas binarias de unas pocas horas como mucho. Incluso, una característica típica de los púlsares en viudas negras son los eclipses debido a la ocultación por la nube de materiales arrancados de la estrella víctima.

Pero… ¿no es un poco injusto que siempre veamos el sistema desde la perspectiva de la estrella asesina? Hoy presentamos ZTF J1406+1222, un sistema donde la estrella observada es la víctima, donde además hay una tercera estrella que lo mira todo desde lejos. ¡Qué familia más complicada! ¿Te gusta el morbo detectivesco? ¡Acompáñanos en este complicado caso!

Un crimen cazado en el acto

Nuestro equipo de investigación se especializa en buscar enanas blancas en órbitas binarias, visibles en luz óptica. Sin embargo, un día encontraron algo sorprendente. Buscando entre los datos del Zwicky Transient Facility (ZTF), un telescopio óptico en California especializado en detectar objetos con una rápida variabilidad, encontraron una estrella cuya emisión oscilaba periódicamente cada 62 minutos.

Esto no hubiese sido tan extraño si no fuera porqué la estrella parecía variar más dramáticamente en longitudes de ondas cortas (luz más energética) que las largas. ¿Sería que la variabilidad estaba siendo causada por un fenómeno muy energético? Así que indagaron más, observaron el sistema con HiPERCAM, otro instrumento especializado en realizar imágenes de objetos variables en el Cran Telescopio Canaria en La Palma (Islas Canarias), y vieron sus sospechas confirmadas: como se muestra en la Figura 1, ¡la oscilación es todavía mayor en luz ultravioleta!


Figura 1. Curva de luz (luminosidad en función del tiempo) de ZTF J1406+1222 en luz infrarroja (z e i), roja (r), verde (g) y ultravioleta (u) superpuestas. La luz ultravioleta presenta la mayor variabilidad, incrementado su flujo hasta 13 veces su valor más bajo.

Debido a que la variabilidad es mucho más potente en altas energías, su origen debería de ser extremadamente energético, y la periodicidad implicaría que deberíamos de estar viendo dos caras de un mismo objeto mientras gira, implicando que el fenómeno ocurre solamente en una de las dos caras. Entonces, a los detectives se les encendió una bombilla: ¿Podía ser que estuvieran viendo las caras diurna y nocturna de un objeto en órbita a otro muy energético, con acoplamiento de mareas? Esto explicaría porqué se aprecia más la variabilidad en luz ultravioleta: el lado “diurno” está tan caliente que brilla con una temperatura de más de 10.000 K, mientras que el lado nocturno apenas llega a los 6.500 K. Pero si este es el caso ¿Quién es el causante de este infierno?

Identificando al culpable… y a la víctima

Tal abrumador efecto en un periodo tan corto solo puede ser causado por una estrella asesina extremadamente energética y pequeña. Esto es debido a que, si fuera muy brillante, su brillo seria detectado por los telescopios. Pero como este no es el caso, el equipo de investigación dedujo que tiene que tratarse de un objeto tenue, pero muy energético y cercano a la víctima. El corto periodo orbital de 62 minutos también favorece esta hipótesis. Esto dejó solamente a dos posibles culpables: una enana blanca o una estrella de neutrones. Pero, ¿a quién de las dos acusar? Un dilema difícil a primera vista, pero de fácil solución para nuestros Sherlocks.

Las estrellas de neutrones y las enanas blancas son ambos objetos muy compactos y extremadamente calientes siendo las dos capaces causar el mismo efecto en una compañera desafortunada. Pero la gran diferencia entre ellas son sus tamaños y temperaturas: mientras que las enanas blancas tienen radios de miles de km y emiten mayoritariamente en ultravioleta, las estrellas de neutrones apenas miden 14 km de punta a punta y pueden emitir significativamente en rayos X en incluso rayos Gamma. Fijándose en la variabilidad ultravioleta, la más significante de todas, resulta claro que en el caso de ser una enana blanca, la superficie irradiante sería tan grande que la propia enana blanca sería más luminosa que la víctima. En su lugar, una estrella de neutrones con tan solo 14 km de diámetro y radiación de tipo extremo explica la oscilación en la luz ultravioleta casi a la perfección debido a su pequeño tamaño (Figura 2).

Un asesinato estelar, estrellas de neutrones, y arañas viudas negras. Un equipo de astrónomos investiga el extraño caso de
Figura 2. Arriba: Curva de luz ultravioleta observada por HiPERCAM (puntos púrpuras) comparada con la mejor predicción de dicha curva si estuviera causada por la radiación proveniente de una estrella de neutrones de 14 km de diámetro (línea negra sólida), y la mejor predicción con una enana blanca de 2.000 km de diámetro en su lugar (línea discontinua negra). Queda claro que la emisión proviene de la irradiación por parte de una estrella de neutrones. Abajo: desviación de los datos respeto al modelo de la estrella de neutrones. Apenas llegan a 2 µJy las mayores discrepancias, comparado con los 30 µJy de la amplitud total de la oscilación.

Pero estas no son las únicas pruebas acusatorias contra la estrella de neutrones. Los detectives tomaron también el espectro de luz de ZTF J1406+1222 con el instrumento Low Resolution Imaging Spectrometer en el Telescopio Keck en Mauna Kea (Hawaii), y observaron que el color de la víctima es rojo (frío) mientras vemos su cara nocturna, mientras que se vuelve azul (caliente) durante el día, con líneas de emisión de Hidrógeno durante la transición, que luego se convierten en unas líneas de absorción. Los investigadores interpretan que este fenómeno es solamente posible la radiación es extremadamente energética y capaz de penetrar en las capas más internas de la estrella víctima, favoreciendo de nuevo una estrella de neutrones enfrente a que una enana blanca. Con los datos espectrales, el equipo investigador midió la velocidad de la víctima y concluyeron esta tiene alrededor del 5 % de la masa del sol, asumiendo que la estrella de neutrones contiene 1.4 masas solares. Siendo además el radio de la estrella menor que un 3 % del radio solar (si fuese más grande, sería despedazada por la fuerza gravitatoria de la estrella de neutrones). En conclusión, la víctima, probablemente una estrella como cualquier otra en su nacimiento, se ha visto reducida a un objeto de un tamaño más pequeño que Júpiter. Evidentemente, ¡este es un caso de asesinato estelar perpetrado en una viuda negra!

Un silencioso testimonio

Pero la historia no se acaba aquí. Con los datos espectroscópicos, el equipo investigador detectó además luz de una estrella subenana naranja proveniente de la misma dirección, consistente con una temperatura constante de 4.000 K, basándose en líneas de absorción de CaH. El descubrimiento se ve apoyado por el hecho de que otros catálogos como de SDSS, PanSTARRs1 y Gaia muestran dos fuentes de luz separadas solamente por una fracción de un arco segundo (Figura 3).

Figura 3. Imagen a color de ZTF J1406+1222 tomada por Pan-STARRs1, con dos fuentes identificadas en su interior (cuadrados rojos), estando la estrella subenana en la izquierda y la viuda negra (incluyendo la estrella evaporada y la estrella de neutrones) en la derecha. Se aprecia la asimetría de color, con una luz rojiza alrededor de la subenana, y luz azulada alrededor de la viuda negra.

El equipo de investigación asegura que esta coincidencia no es causalidad. En todas las detecciones, hechas en fechas diferentes, las fuentes se muestra a una posición diferente debido a su movimiento en el cielo, ¡y qué casualidad que la estrella subenana y la viuda negra viajen en la misma dirección! Usando diversos métodos, como el paralaje medido por Gaia y calculando la distancia de la subenana a partir de su brillo y temperatura, la conclusión es que en realidad ZTF J1406+1222 a unos 3.700 años luz de la Tierra, y que la separación entre la viuda negra y la subenana es de una 600 unidades astronómicas. ¡Esto es 15 veces la distancia entre el Sol y Plutón! Con un periodo orbital de varios miles de años, la estrella subenana se ve poco afectada por las características asesinas de la estrella de neutrones, y se limita a mirar el crimen de la viuda negra en silencio desde la distancia.

Una familia complicada en un entorno complicado

La posición del sistema triple en el cielo y su distancia lo ponen fuera del disco Galáctico, lo que indica que ZTF J1406+1222 pertenece al halo Galáctico. De haberse formado ahí, estas serían estrellas muy antiguas y la formación del sistema sería muy de explicar, ya que este tipo de sistemas múltiples se forman típicamente en el disco Galáctico. Pero su órbita parece cruzarse con el centro galáctico, alzando la pregunta de qué dramático pasado puede a ver tenido este sistema en sus previos viajes intra-Galácticos.

Lo que nos dice TF J1406+1222, sin ninguna duda, es que a veces el universo no es un lugar plácido o amistoso, si no que más bien lo contrario: a veces, algunas estrellas pueden asesinar a sus hermanas mientras que otras lo observan desde lejos en un campo tan vacío de otras estrellas como el halo Galáctico. Y quizás, esto es lo que lo hace tan interesante.

Acerca de Miquel Colom i Bernadich

Nacido y criado en Catalunya, mostré mi interés por la astronomía desde bien chiquitito. Estudié física fundamental en la Universidad de Barcelona, cursé un máster en astronomía y ciencias del espacio en la Universidad de Uppsala, y ahora soy estudiante doctoral en Instituto Max Planck por la Radioastronomía en Bonn, Alemania. Mi tarea actual es cazar y analizar radiopúlsares, estrellas de neutrones magnetizadas con altas frequencias de rotación. En mi tiempo libre soy aficionado a los videojuegos, lector y excursionista.

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