El observatorio espacial Einstein (Einstein Probe) ha detectado un raro estallido de rayos X procedente de un particular dúo estelar.
Este observatorio espacial, lanzado al espacio el 9 de enero de 2024 mediante un cohete chino Chang Zheng (Larga Marcha), es una iniciativa de la Academia China de Ciencias, en colaboración con la Agencia Espacial Europea (ESA) y el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Alemania. También participan investigadores del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE) dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en España.
La misión del satélite astronómico consiste en escrutar el cosmos en busca de estallidos de rayos X. Estos estallidos pueden ser generados por eventos cósmicos cataclísmicos, como por ejemplo desgarros catastróficos de estrellas perpetrados por agujeros negros supermasivos, explosiones de tipo supernova, la actividad violenta de estrellas de neutrones y de agujeros negros en general, así como manifestaciones electromagnéticas de alta energía acompañando a emisiones de ondas gravitacionales.
La particular pareja de objetos estelares de la que proviene el raro fogonazo detectado está formada por una gran estrella caliente, más de diez veces más grande que el Sol, y una enana blanca, con una masa similar a la del Sol. Las enanas blancas son estrellas que ya han cesado en la actividad de fusión nuclear que caracteriza a las estrellas en activo pero que todavía están lo bastante calientes como para emitir luz y calor. El proceso que experimentan en su conversión hacia el estado de enana blanca las compacta hasta tamaños muy pequeños, tal como sugiere su nombre.
Hasta ahora, solo se ha descubierto un puñado de estos sistemas. Esta es la primera vez que se ha podido rastrear la luz de rayos X procedente de una pareja tan curiosa desde su repentino estallido inicial hasta su desaparición.
El 27 de mayo de 2024, el telescopio WXT (Wide-field X-ray Telescope) del observatorio espacial Einstein detectó rayos X procedentes de una galaxia cercana a la Vía Láctea: la Pequeña Nube de Magallanes (SMC, por sus siglas en inglés). Para descubrir el origen de este nuevo faro celeste, denominado EP J0052, se recurrió a otro de los telescopios del observatorio, el FXT (Follow-up X-ray Telescope).
Las observaciones del WXT llevaron a que los telescopios de rayos X Swift y NICER de la NASA apuntaran hacia el nuevo objeto descubierto. El observatorio espacial de rayos X de la ESA XMM-Newton hizo un seguimiento 18 días después del estallido.
“Estábamos persiguiendo fuentes fugaces cuando nos topamos con este nuevo punto de luz de rayos X en la SMC. Nos dimos cuenta de que estábamos observando algo inusual, que solo el Einstein podía captar”, afirma Alessio Marino, investigador postdoctoral del ICE y coautor del estudio.
“Esto se debe a que, entre los telescopios actuales que monitorizan rayos X en el cielo, el WXT es el único que puede ver rayos X de menor energía con suficiente sensibilidad para captar la nueva fuente”, añade.
En un principio, el equipo pensó que EP J0052 podría ser un tipo de sistema binario conocido que brilla en rayos X. Estos sistemas binarios están formados por una estrella de neutrones que devora material de una estrella masiva compañera. Sin embargo, algo en los datos indicaba que ocurría algo diferente.
Un descubrimiento excepcional
Gracias a que la Einstein Probe detectó la nueva fuente desde el primer destello, el equipo pudo analizar lotes de datos de diferentes instrumentos. Examinaron cómo variaba la luz en una gama de longitudes de onda de rayos X a lo largo de seis días y descubrieron algunos de los elementos químicos presentes en el material que explotó, como nitrógeno, oxígeno y neón. El análisis permitió obtener pistas cruciales.
“Enseguida nos dimos cuenta de que estábamos ante un descubrimiento excepcional de una pareja celeste muy esquiva”, explica Marino. “Este inusual dúo está formado por una estrella masiva de tipo Be, que pesa 12 veces más que el Sol, y un ‘cadáver’ estelar conocido como enana blanca, un objeto compacto e hiperdenso, con una masa similar a la de nuestra estrella”, añade.
Las dos estrellas orbitan muy de cerca una alrededor de la otra y el intenso campo gravitatorio de la enana blanca atrae materia de su estrella compañera. A medida que más y más material (principalmente hidrógeno) cae sobre el objeto compacto, su fuerte gravedad lo comprime hasta que se inicia una explosión nuclear descontrolada. Esto crea un destello brillante de luz en una amplia gama de longitudes de onda, desde la luz visible hasta los rayos ultravioleta y X.
A primera vista, la existencia de este dúo resulta desconcertante. Las estrellas masivas del tipo Be consumen rápidamente su reserva de combustible nuclear. Su vida es feroz y corta, alcanzando unos 20 millones de años. Su compañera es, normalmente, el remanente colapsado de una estrella similar al Sol que, aislada, viviría varios miles de millones de años.
Dado que las estrellas binarias normalmente se forman juntas, ¿cómo puede ser que la estrella que supuestamente tenía una vida corta brille todavía mientras que la que supuestamente debería tener una larga vida ya había muerto?
Historia de dos estrellas
El equipo cree que los dos cuerpos estelares empezaron juntos, como un sistema binario mucho más semejante formado por dos estrellas bastante grandes, seis y ocho veces más masivas que nuestro Sol.
La estrella más grande agotó antes su combustible nuclear y comenzó a expandirse, desprendiendo materia hacia su compañera. Primero, el gas de sus capas exteriores hinchadas fue absorbido por la compañera; luego, sus capas exteriores restantes fueron expulsadas, formando una envoltura alrededor de las dos estrellas, que luego se convirtió en un disco y finalmente se disolvió.
Al final de este proceso, la estrella compañera había crecido hasta alcanzar 12 veces la masa del Sol, mientras que el núcleo de la otra estrella, que había sido sobrepasada, se había contraído hasta convertirse en una enana blanca de poco más de una masa solar. Ahora es el turno de la enana blanca de robar y consumir el material de las capas externas de la estrella Be.
“Este estudio nos proporciona nuevos conocimientos sobre una fase de la evolución estelar que rara vez se observa y que es el resultado de un complejo intercambio de material que debió producirse entre las dos estrellas”, señala Ashley Chrimes, investigador y astrónomo de rayos X de la ESA. “Es fascinante ver cómo un par de estrellas masivas en interacción puede producir un resultado tan intrigante”, añade.
Dieciocho días después de la primera observación de la Einstein Probe, la nave XMM-Newton de la ESA que hacía un seguimiento en la dirección de EP J0052 dejó de detectar la señal. Esto marca un límite a la duración del estallido y demuestra que fue relativamente breve.
La duración de esta breve explosión y la presencia de neón y oxígeno apuntan a un tipo de enana blanca bastante pesada, probablemente un 20% más masiva que el Sol. Su masa está cerca del denominado límite de Chandrasekhar, por encima del cual la estrella continuaría implosionando y se convertiría en una estrella de neutrones, aún más densa, o bien explotaría como una supernova.
“Las explosiones de un dúo de estrellas enanas blancas Be han sido extraordinariamente difíciles de captar, ya que se observan mejor con rayos X de baja energía. La llegada de la Einstein Probe ofrece una oportunidad única de detectar estas fuentes fugaces y poner a prueba nuestra comprensión sobre cómo evolucionan las estrellas masivas”, señala Erik Kuulkers, científico del proyecto Einstein Probe de la ESA. “Este descubrimiento muestra las capacidades revolucionarias de esta misión”, añade.
El estudio sobre este inusual estallido de rayos X se titula “Einstein Probe discovery of EPJ005245.1−722843: a rare BeWD binary in the Small Magellanic Cloud”. Y se ha publicado en la revista académica The Astrophysical Journal Letters. (Fuente: ICE / CSIC / IEEC)
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