Los capullos de las estrellas moribundas podrían explicar los rápidos transitorios ópticos azules


Desde que se descubrieron en 2018, los transitorios ópticos azules rápidos (FBOT, por sus siglas en inglés) han sorprendido y confundido por completo a los astrofísicos observacionales y teóricos.

Tan calientes que brillan en azul, estos misteriosos objetos son el fenómeno óptico conocido más brillante del universo. Pero con solo unos pocos descubiertos hasta ahora, los orígenes de los FBOT siguen siendo esquivos.

Ahora, un equipo de astrofísica de la Universidad Northwestern presenta una nueva y audaz explicación del origen de estas curiosas anomalías. Usando un nuevo modelo, los astrofísicos creen que los FBOT podrían resultar de los capullos que se enfrían activamente y que rodean los chorros lanzados por las estrellas moribundas. Marca el primer modelo astrofísico que es totalmente consistente con todas las observaciones relacionadas con los FBOT.

La investigación se publicó el 11 de abril en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Cuando una estrella masiva colapsa, puede lanzar flujos de escombros a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Estos flujos de salida, o chorros, chocan contra las capas colapsadas de la estrella moribunda para formar un «capullo» alrededor del chorro. El nuevo modelo muestra que a medida que el chorro empuja el capullo hacia afuera, lejos del núcleo de la estrella que colapsa, se enfría y libera calor como una emisión FBOT observada.

«Un chorro comienza en lo profundo de una estrella y luego se abre camino para escapar», dijo Ore Gottlieb de Northwestern, quien dirigió el estudio. «A medida que el chorro se mueve a través de la estrella, forma una estructura extendida, conocida como capullo. El capullo envuelve al chorro y continúa haciéndolo incluso después de que el chorro escapa de la estrella, este capullo escapa con el chorro. Cuando calculamos cuánta energía tiene el capullo, resultó ser tan poderoso como un FBOT».

Gottlieb es miembro de Rothschild en el Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA) de Northwestern. Fue coautor del artículo con el miembro de CIERA Sasha Tchekovskoy, profesor asistente de física y astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern.

El problema del hidrogeno

Los FBOT (pronunciado F-bot) son un tipo de explosión cósmica detectada inicialmente en la longitud de onda óptica. Como su nombre lo indica, los transitorios se desvanecen casi tan rápido como aparecen. Los FBOT alcanzan su brillo máximo en cuestión de días y luego se desvanecen rápidamente, mucho más rápido que el ascenso y la descomposición de las supernovas estándar.

Después de descubrir los FBOT hace solo cuatro años, los astrofísicos se preguntaron si los misteriosos eventos estaban relacionados con otra clase de transitorios: los estallidos de rayos gamma (GRB). Las explosiones más fuertes y brillantes en todas las longitudes de onda, los GRB también están asociados con estrellas moribundas. Cuando una estrella masiva agota su combustible y colapsa en un agujero negro, lanza chorros para producir una poderosa emisión de rayos gamma.

«La razón por la que pensamos que los GRB y los FBOT podrían estar relacionados es porque ambos son muy rápidos, se mueven casi a la velocidad de la luz, y ambos tienen una forma asimétrica, rompiendo la forma esférica de la estrella», dijo Gottlieb. «Pero había un problema. Las estrellas que producen GRB carecen de hidrógeno. No vemos ningún signo de hidrógeno en los GRB, mientras que en los FBOT, vemos hidrógeno en todas partes. Por lo tanto, no podría ser el mismo fenómeno».

Usando su nuevo modelo, Gottlieb y sus coautores creen que podrían haber encontrado una respuesta a este problema. Las estrellas ricas en hidrógeno tienden a albergar hidrógeno en su capa más externa, una capa demasiado gruesa para que penetre un chorro.

«Básicamente, la estrella sería demasiado masiva para que el chorro la atravesara», dijo Gottlieb. «Entonces, el chorro nunca saldrá de la estrella y es por eso que no produce un GRB. Sin embargo, en estas estrellas, el chorro moribundo transfiere toda su energía al capullo, que es el único componente que escapa de la estrella. El capullo emitirá emisiones FBOT, que incluirán hidrógeno. Esta es otra área donde nuestro modelo es totalmente consistente con todas las observaciones FBOT».

Juntando la imagen

Aunque los FBOT brillan intensamente en longitudes de onda ópticas, también emiten ondas de radio y rayos X. El modelo de Gottlieb también explica esto.

Cuando el capullo interactúa con el gas denso que rodea a la estrella, esta interacción calienta el material estelar para liberar una emisión de radio. Y cuando el capullo se expande lo suficientemente lejos del agujero negro (formado a partir de la estrella colapsada), los rayos X pueden filtrarse desde el agujero negro. Los rayos X se unen a la luz de radio y óptica para formar una imagen completa del evento FBOT.

Si bien Gottlieb se siente alentado por los hallazgos de su equipo, dice que se necesitan más observaciones y modelos antes de que podamos comprender definitivamente los misteriosos orígenes de los FBOT.

«Esta es una nueva clase de transitorios, y sabemos muy poco sobre ellos», dijo Gottlieb. «Necesitamos detectar más de ellos antes en su evolución antes de que podamos comprender completamente estas explosiones. Pero nuestro modelo puede trazar una línea entre supernovas, GRB y FBOT, lo que creo que es muy elegante».

«Este estudio allana el camino para simulaciones más avanzadas de FBOT», dijo Tchekovskoy. «Este modelo de próxima generación nos permitirá conectar directamente la física del agujero negro central con los observables, permitiéndonos revelar la física oculta del motor central FBOT».

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