Los anillos de polvo de una Wolf-Rayet binaria

• Título del artículo original: Nested dust shells around the Wolf–Rayet binary WR 140 observed with JWST
• Autores/as: Ryan M. Lau, Matthew J. Hankins, Yinuo Han, et al.
• Institución del primer autor:NOIRLab, NSF, Tucson, Arizona, USA
• Estado de la publicación: Publicado en Nature Astronomy (acceso abierto en arXiv)

Lo primero de todo, ¿qué es una Wofl-Rayet binaria?

Las estrellas Wolf-Rayet (WR) son estrellas muy brillantes y masivas, en general como mínimo 20 veces más masivas que nuestro Sol. Una de sus características es que expulsan mucha de su masa mediante su viento estelar y acaban explotando como supernovas. Cuando estas estrellas se encuentran en un sistema binario con otra estrella con viento estelar, ambos vientos se condensan al colisionar y se forma polvo que es expulsado al medio interestelar.

Este es el caso del sistema WR 140, formado por una estrella WC (Wolf-Rayet rica en carbono) y una estrella temprana tipo O (son también estrellas masivas y con vientos estelares, pero no tan extremas como las Wolf-Rayet). Estas dos estrellas están ligadas gravitacionalmente por lo que orbitan alrededor del centro de masas común. Lo característico de este sistema es que la órbita que describen es muy excéntrica, por lo que sus vientos solo chocarán cuando las estrellas se encuentren en el punto más cercano de la órbita, conocido como periastro. Esto hace que cada casi 8 años se produzca una emisión de polvo en forma de “cascarón” que se expande hacia el medio interestelar pero que visto desde nuestra perspectiva parecen anillos concéntricos. Este sistema ha sido observado con el telescopio espacial JWST con una sensibilidad 100 veces mayor que las anteriores observaciones, lo que ha permitido detectar 17 de estos anillos para estudiar su forma y composición.

Figura 1: Ilustración del telescopio espacial JWST. Este telescopio ha sido el encargado de realizar las observaciones del sistema WR 140. Crédito: NASA

Propiedades geométricas de este sistema

Como se observa en la imagen de la izquierda de la Figura 2, estos anillos no son perfectamente circulares y hay regiones que son más brillantes. En este sistema predomina en brillo toda la región izquierda e inferior de la imagen y, en especial, la zona de la esquina inferior derecha. Esto es debido a cómo se produce el choque entre ambos vientos y la dirección desde la que observamos. El grupo de investigación ha modelado la órbita y el choque de los vientos y han obtenido un modelo que se ajusta correctamente al patrón observado, como muestran en la figura de la derecha.

Figura 2: A la izquierda se muestra la imagen del sistema binario WR 140 y sus anillos de polvo observados con JWST en el infrarrojo medio. Las ocho espigas azuladas no forman parte de los “cascarones” de polvo, se deben al patrón de difracción del telescopio ya que la estrella Wolf-Rayet es tan brillante que satura la imagen. A la derecha se muestra el modelo geométrico de órbitas empleado y que reproduce el patrón de brillo y la forma de los anillos.

Otra característica notable de estos anillos es que están separados por la misma distancia, lo que implica que tienen que expandirse una velocidad constante. Para que esto ocurra, las fuerzas a las que están sometidos tienen que estar equilibradas. En esencia, la presión de radiación de las estrellas les haría acelerar pero las fuerzas de arrastre los hacen frenar. Sin embargo, en el artículo se reconoce que es necesario seguir investigando este sistema para entender cómo se equilibran estas fuerzas.

Composición del polvo expulsado

Además de la forma de los anillos, se ha estudiado su composición encontrando evidencias de la presencia de moléculas orgánicas ricas en carbono pero pobres en hidrógeno, lo que es compatible con la composición de las estrellas WC. Un tipo de estas moléculas son los hidrocarburos aromáticos policíclicos y ya se conocía con anterioridad que son muy estables. Sin embargo, se desconocía si podrían sobrevivir en el entorno hostil provocado por la radiación de las estrellas. Pero ahora esta investigación ha podido detectar la composición del polvo expulsado hasta el anillo 17, que se emitió hace unos 130 años. Como se sigue observando presencia de moléculas orgánicas en estos anillos tan alejados, entonces el trabajo concluye que estas moléculas pueden sobrevivir mucho tiempo después de ser expulsados por el sistema y propagarse por el medio interestelar.

Este descubrimiento es relevante ya que en el medio interestelar se llevaba detectando unas bandas de emisión conocidas como luz infrarroja no identificada (UIR por sus siglas en inglés). Precisamente, estas bandas de emisión son las que se han encontrado en la composición de los anillos de la WR binaria. Por lo tanto, las estrellas binarias de tipo WC podrían ser una fuente dominante de enriquecimiento de moléculas orgánicas complejas en el medio interestelar desde momentos tempranos de su formación y ser las principales responsables de la luz infrarroja no identificada.