Un sistema para detectar 'estrellas invisibles'

Logran, por primera vez, descubrir a las misteriosas estrellas precursores de las llamadas 'supernovas pobres en hidrógeno'

Así ayudaron dos estrellas invisibles a desvelar el misterio de Gaia16aye

En la ilustración, una estrella absorbe masa de su compañera en un sistema binario Ylva Götberg

15/12/2023 a las 12:42h.

Cuando les llega su hora, algunas estrellas no se conforman simplemente con extinguirse y desaparecer en silencio, sino que explotan con tanta fuerza que su brillo llega a eclipsar al de la galaxia que las contiene. Estos violentos fenómenos cósmicos, llamados supernovas, propagan a través del espacio ríos de luz, oleadas de elementos químicos, cantidades masivas de energía y radiación y, al mismo tiempo, envían también fuertes ondas de choque que atraviesan las galaxias, comprimen las nubes de gas y ayudan al nacimiento de nuevas estrellas. En otras palabras, podría decirse que las supernovas dan forma al Universo que vemos a nuestro alrededor.

Sin embargo, existe un tipo de supernovas, las llamadas 'pobres en hidrógeno', que llevan décadas desconcertando a los astrofísicos. De hecho, y por alguna extraña razón, los científicos no consiguen identificar sus estrellas precursoras. Es casi como si esas supernovas aparecieran de pronto, de la nada.

El problema, según explica Ylva Götberg, astrofísica del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), y autora principal de un artículo que aparece esta misma semana en 'Science', es que «hay muchas más supernovas pobres en hidrógeno de las que nuestros modelos actuales pueden explicar». Lo cual, según la astrofísica, solo deja dos posibilidades: «O no somos capaces de detectar las estrellas que maduran por este camino, o tenemos que revisar todos nuestros modelos».

La cuestión del hidrógeno

«Normalmente, las estrellas que explotan como supernovas son muy ricas en hidrógeno -prosigue la investigadora-. Ser pobre en hidrógeno indica que la estrella precursora debe haber perdido su gruesa envoltura rica en ese gas. Lo cual, por otra parte, ocurre de forma natural en un tercio de todas las estrellas masivas debido a la rotura de esa envoltura por parte de una estrella compañera binaria». Pero si realmente son tan abundantes, ¿dónde están todas esas estrellas? ¿Y por qué los astrónomos no consiguen verlas?

Junto a Maria Drout, de la Universidad de Toronto, en Canadá, Götberg elaboró un modelo observacional que ha demostrado ser capaz de localizar esas estrellas desaparecidas. En su artículo, en efecto, las dos investigadoras documentan una población de estrellas, la primera de su tipo, que cierra por fin una gran brecha de conocimiento y arroja luz sobre el origen de las supernovas pobres en hidrógeno.

En sistemas binarios

Las estrellas que buscan Götberg y Drout suelen ir en parejas, formando sistemas binarios. Algunos de estos sistemas son bien conocidos por los astrónomos: entre ellos se incluyen la estrella más brillante de nuestro cielo nocturno, Sirio A, y su débil estrella compañera Sirio B, a unos 8,6 años luz de la Tierra.

La cuestión es que los astrofísicos esperan que las estrellas desaparecidas se hayan formado, precisamente, a partir de sistemas binarios masivos. Según la teoría actual, las dos estrellas se orbitarían entre sí hasta que la gruesa envoltura rica en hidrógeno de la estrella más masiva se expanda hasta el punto de experimentar una atracción gravitacional más fuerte hacia la estrella compañera que hacia su propio núcleo. Lo cual provoca que comience una transferencia de masa, un auténtico chorro de materia pasando de una estrella a la otra, hasta que la envoltura de hidrógeno desaparece por completo y deja expuesto el núcleo de helio, compacto y más de 10 veces más caliente que la superficie del Sol.

Este es precisamente el tipo de estrellas que Götberg y Drout tratan de encontrar. «Se cree -afirma Götberg- que las estrellas de helio de masa intermedia despojadas mediante interacción binaria desempeñan papeles importantes en la astrofísica. Sin embargo, hasta ahora no se habían observado». De hecho, existe una brecha importante entre las clases conocidas de estrellas de helio: las estrellas Wolf-Rayet (WR), las más masivas, tienen más de 10 veces la masa del Sol, mientras que las más pequeñas apenas llegan a tener alrededor de media masa solar. Pero ni rastro de las estrellas de masa intermedia, las que tienen entre 2 y 8 masas solares, que serían precisamente las precursoras de las supernovas pobres en hidrógeno.

Antes del presente estudio, solo se conocía una estrella que cumplía con los criterios esperados de masa y composición. Y esa estrella fue llamada 'Quasi-WR' ('Casi Wolf-Rayer'). «Sin embargo -explica Götberg- las estrellas que siguen este camino tienen una vida tan larga que debe de haber muchas dispersas por todo el universo observable». Pero los astrónomos nunca han sido capaces de verlas.

Conocimientos complementarios

Para conseguirlo, Götberg y Drout aprovecharon sus conocimientos complementarios y así, con la ayuda de la fotometría ultravioleta y la espectroscopia óptica, lograron identificar una población de 25 estrellas que concuerdan con las expectativas para las estrellas de helio de masa intermedia. Las estrellas están ubicadas en dos pequeñas galaxias vecinas bien estudiadas, la Gran y la Pequeña Nube de Magallanes, ambas satélites de nuestra Vía Láctea.

«Demostramos -dice Götberg- que estas estrellas eran más azules que la línea de nacimiento estelar, la fase más azul en la vida de una sola estrella. Las estrellas individuales maduran evolucionando hacia la región más roja del espectro. Una estrella sólo se desplaza en la dirección opuesta si se eliminan sus capas exteriores, algo que se espera que sea común en las estrellas binarias en interacción y poco común entre las estrellas masivas individuales».

Después, las dos científicas verificaron su población de estrellas candidatas mediante espectroscopia óptica, y así demostraron que todas tenían fuertes firmas espectrales de helio ionizado. «Las fuertes líneas de helio ionizado -explica Götberg- nos dicen dos cosas importantes: primero, confirman que las capas más externas de las estrellas están dominadas por helio y, segundo, que su superficie está muy caliente. Y eso es justo lo que les sucede a las estrellas que quedan con un núcleo expuesto, compacto y rico en helio después de ser despojadas».

Sin embargo, en un sistema binario las dos estrellas contribuyen a los espectros observados. De modo que la nueva técnica tuvo que ser diseñada para permitir a las investigadoras clasificar su población candidata en función de qué estrella contribuía más al espectro. «Este trabajo -prosigue Götberg- nos permitió encontrar la población faltante de estrellas de helio despojadas de masa intermedia, las progenitoras previstas de las supernovas pobres en hidrógeno. Estas estrellas siempre han estado ahí y probablemente haya muchas más por ahí. Simplemente debemos encontrar formas de detectarlas. Nuestro trabajo puede ser uno de los primeros intentos, aunque debería haber otras formas posibles».