Tres (estrellas) no son multitud: el caso de la nebulosa planetaria Sh 2-71

Título: On the triple-star origin of the planetary nebulae Sh 2-71
Autores: David Jones, Ondřej Pejcha, and Romano L. M. Corradi
Institución del primer autor: Instituto de Astrofísica de Canarias, Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna
Estado de la publicación: Publicado en MNRAS. Libre ArXiv.

El origen morfológico de las nebulosas planetarias

Las nebulosas planetarias (NPs) son una fase final en la evolución de estrellas de baja masa e intermedia (0.1-8.0Ms; masa solar) que consiste principalmente en una envolvente de gas ionizado rodeando a una estrella caliente (enana blanca; EB). La NP se forma a partir de una pérdida de masa importante durante su fase previa en la rama asintótica de las gigantes (RAG). Si bien se espera que la mayoría de las NPs tengan una morfología esférica, lo que se ha observado a través de los años es todo lo contrario; la mayoría de las NPs son asimétricas. La hipótesis más aceptada hoy en día que podría explicar las asimetrías en NPs está relacionada con la evolución de sistemas binarios a través de la fase de envoltura común. La envoltura común es una fase en la evolución de estrellas de baja masa e intermedia donde el sistema binario orbita en una única envoltura compuesta por el material expulsado de las capas exteriores durante su fase de RAG hacia la EB.

Mientras que teóricamente se predice una fracción binaria para estrellas de baja masa e intermedia en secuencia principal de ~50%, solo un ~10% son estrellas que se encuentran en un sistema de orden mayor (más de dos estrellas), indicando que estos sistemas podrían jugar un papel importante en la formación de NPs. Si bien es cierto que la fracción binaria obtenida de estudios observacionales de NPs es de ~20-30%, solamente se ha encontrado un caso con un sistema triple, el de NGC 246.

En este trabajo, los autores presentan el estudio de la NP Sh 2-71, donde a través de imágenes profundas y modelados teóricos, sugieren la presencia de un sistema triple en su núcleo.

La hipótesis triple

En este estudio, los autores muestran el análisis de la NP Sh 2-71 utilizando imágenes profundas obtenidas con el telescopio de 2.5m Isaac Newton. Las imágenes fueron tomadas con los filtros estrechos centrados en las líneas de emisión de Hα y [N II]. Esto les permitió observar, por primera vez, una emisión extendida que se encuentra muy alejada de la parte central de la NP (Figura 1).

Para ponerlos en contexto, en la Figura 1 (panel derecho), se muestra la NP principal. En ella podemos ver el sistema binario denotado por la letra A, y una tercera estrella que orbita el sistema A con una órbita más elongada denotada por la letra B. Las emisiones extendidas encontradas en la NP Sh 2-71 (panel izquierdo), localizadas al noroeste y al sureste respectivamente, curiosamente están alineadas con la línea imaginaria que conecta al sistema binario principal A y la estrella B (ver Fig. 1.b), con un ángulo de posición (en el plano del cielo, partiendo del norte contrario a la manecilla del reloj) similar a 100 grados; las estrellas A y B tiene un ángulo de posición de 135 grados. Debido a esto los autores sugieren que, dada la alineación con el cuerpo principal, su estructura filamentosa, y su emisión en Hα y [N II], las emisiones extendidas son el producto directo de la evolución de las estrellas centrales, es decir, eyecciones colimadas producto de la interacción del sistema triple.

Los autores proponen que el sistema binario A y la estrella B forman parte de un sistema triple, y que sus interacciones llevaron a la formación de la nebulosa planetaria Sh 2-71 y las propiedades peculiares de este sistema. Para probar esta hipótesis, utilizan estimaciones analíticas e integraciones numéricas de la evolución orbital del sistema, teniendo en cuenta la pérdida de masa de la estrella B y los posibles efectos de los ciclos de Lidov-Kozai (un fenómeno de la mecánica celeste que afecta la órbita de un sistema binario perturbado por un tercer cuerpo; Figura 2).

Figura 2. Resumen del modelo triple propuesto por los autores para la NP Sh 2-71 compuesto por el sistema binario A y la estrella B. Comienza por el sistema binario A, con período P_A,i, siendo orbitado por la estrella B con periodo P_AB,i >> P_A,i. La estrella B causa el efecto Lidov-Kozai en A, acompañado por ataduras, transferencia de masa o envoltura común (EC). Esto provoca la formación de un sistema binario de período corto, P_A,f << P_A,i, con una variabilidad fotométrica peculiar vista en A. La estrella B es inicialmente más masiva que A y eyecta su envoltura, vista hoy como Sh 2-71. La eyección de masa perturba la órbita de A y B y ambos objectos se alejan entre sí a una velocidad de V_AB. La masa eyectada de B pasa por A donde parte de ella es capturada para formar un disco circumbinario, jets, o alguna otra eyección rápida. Crédito: Adaptada de la Figura 3 del artículo original.

Comparan sus resultados del modelo teórico con las restricciones observacionales disponibles, como las posiciones relativas, velocidades, distancias y movimientos propios del binario A, la estrella B y la nebulosa. Encuentran que la hipótesis triple es plausible y consistente con los datos, aunque quedan algunas incertidumbres por lo que se necesitan más observaciones para confirmarla.

Conclusión

Los autores proponen que Sh 2-71 se originó por la interacción de un sistema triple de estrellas, donde la estrella B perdió su envoltura de gigante roja y formó la nebulosa planetaria, mientras que las dos estrellas en A evolucionaron a un sistema binario peculiar con un disco precesante. Los autores discuten varias posibilidades alternativas para la formación de esta NP, como la ineficiencia de los ciclos de Lidov-Kozai, la eyección de una envoltura común triple o la multiplicidad de orden superior. Ellos sugieren que la hipótesis triple podría ser probada con mediciones más precisas de la paralaje y el movimiento propio de las estrellas A y B, así como con un análisis espectral de la estrella B y observaciones en el ultravioleta de la estrella A.