Cuando estrellas como nuestro sol consumen todo su combustible, se encogen para formar enanas blancas. A veces, estas estrellas muertas vuelven a la vida en una explosión súper caliente y producen una bola de fuego de radiación de rayos X. Un equipo de investigación de varios institutos alemanes, incluida la Universidad de Tübingen, y dirigido por la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), ha podido observar una explosión de luz de rayos X de este tipo por primera vez.
«En cierto modo, fue una coincidencia afortunada», explica Ole König del Instituto Astronómico de la FAU en el observatorio Dr. Karl Remeis en Bamberg, quien ha publicado un artículo sobre esta observación en la revista Nature, junto con el Prof. Dr. Jörn Wilms y un equipo de investigación del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, la Universidad de Tübingen, la Universitat Politécnica de Catalunya en Barcelona y el Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam. “Estos destellos de rayos X duran solo unas pocas horas y son casi imposibles de predecir, pero el instrumento de observación debe apuntar directamente a la explosión en el momento exacto”, explica el astrofísico.
El instrumento en este caso es el telescopio de rayos X eROSITA, que actualmente se encuentra a un millón y medio de kilómetros de la Tierra y ha estado examinando el cielo en busca de rayos X suaves desde 2019. El 7 de julio de 2020, midió rayos X fuertes. radiación de rayos en un área del cielo que había pasado completamente desapercibida cuatro horas antes. Cuando el telescopio de rayos X inspeccionó la misma posición en el cielo cuatro horas más tarde, la radiación había desaparecido. De ello se deduce que el destello de rayos X que previamente había sobreexpuesto completamente el centro del detector debe haber durado menos de ocho horas.
Las explosiones de rayos X como esta fueron predichas por la investigación teórica hace más de 30 años, pero nunca se habían observado directamente hasta ahora. Estas bolas de fuego de rayos X ocurren en la superficie de las estrellas que originalmente eran comparables en tamaño al sol antes de consumir la mayor parte de su combustible hecho de hidrógeno y luego helio, en el interior de sus núcleos. Estos cadáveres estelares se encogen hasta que quedan enanas blancas, que son similares en tamaño a la Tierra pero contienen una masa que puede ser similar a la de nuestro sol. «Una forma de imaginar estas proporciones es pensar que el sol tiene el mismo tamaño que una manzana, lo que significa que la Tierra tendría el mismo tamaño que la cabeza de un alfiler que orbita alrededor de la manzana a una distancia de 10 metros», explica Jörn Wilms.
«Estas llamadas novas ocurren todo el tiempo, pero detectarlas durante los primeros momentos, cuando se produce la mayor parte de la emisión de rayos X, es realmente difícil», agrega el Dr. Victor Doroshenko de la Universidad de Tübingen. «No solo la corta duración de un destello es un desafío, sino también el hecho de que el espectro de rayos X emitidos es muy suave. Los rayos X suaves no son muy energéticos y son fácilmente absorbidos por el medio interestelar, por lo que no podemos ver muy lejos». en esta banda, que limita la cantidad de objetos observables, ya sea una nova o una estrella común. Los telescopios normalmente están diseñados para ser más efectivos en rayos X más duros donde la absorción es menos importante, y esa es exactamente la razón por la que perderían un evento. así», concluye.
Los cadáveres estelares se asemejan a las piedras preciosas.
Por otro lado, si tuviera que encoger una manzana al tamaño de la cabeza de un alfiler, esta pequeña partícula retendría el peso comparativamente grande de la manzana. «Una cucharadita de materia del interior de una enana blanca fácilmente tiene la misma masa que un camión grande», continúa Jörn Wilms. Dado que estas estrellas quemadas están compuestas principalmente de oxígeno y carbono, podemos compararlas con diamantes gigantes del mismo tamaño que la Tierra que flotan en el espacio. Estos objetos en forma de gemas preciosas están tan calientes que brillan de color blanco. Sin embargo, la radiación es tan débil que es difícil de detectar desde la Tierra.
Eso es cierto a menos que la enana blanca esté acompañada por una estrella que todavía está ardiendo, y cuando la enorme atracción gravitacional de la enana blanca extrae hidrógeno de la capa de la estrella que la acompaña. «Con el tiempo, este hidrógeno puede acumularse para formar una capa de unos pocos metros de espesor en la superficie de la enana blanca», explica el astrofísico de la FAU Jörn Wilms. En esta capa, la enorme atracción gravitacional genera una enorme presión que es tan grande que hace que la estrella se vuelva a encender. En una reacción en cadena, pronto se produce una gran explosión durante la cual se desprende la capa de hidrógeno. La radiación de rayos X de una explosión como esta es lo que golpeó los detectores de eROSITA el 7 de julio de 2020, produciendo una imagen sobreexpuesta.
«El origen físico de la emisión de rayos X que proviene [de] las atmósferas de las enanas blancas se comprende relativamente bien, y podemos modelar sus espectros a partir de los primeros principios y con exquisito detalle. La comparación de los modelos con las observaciones nos permite aprender las propiedades básicas de estos objetos como el peso, el tamaño o la composición química», explica el Dr. Valery Suleimanov de la Universidad de Tübingen.
«El problema en este caso particular fue, sin embargo, que después de 30 años sin fotones, de repente teníamos demasiados, lo que distorsionó la respuesta espectral de eROSITA, que fue diseñada para detectar millones de objetos muy débiles en lugar de uno pero muy brillante». agrega Víctor Doroshenko.
«Usando los cálculos del modelo que elaboramos originalmente mientras apoyamos el desarrollo del instrumento de rayos X, pudimos analizar la imagen sobreexpuesta con más detalle durante un proceso complejo para obtener una vista detrás de escena de una explosión de una enana blanca, o nova», explica Jörn Wilms.
Según los resultados, la enana blanca tiene alrededor de la masa de nuestro sol y, por lo tanto, es relativamente grande. La explosión generó una bola de fuego con una temperatura de alrededor de 327.000 Kelvin, por lo que es unas 60 veces más caliente que el sol. «Estos parámetros se obtuvieron combinando modelos de radiación de rayos X con los modelos de radiación emitidos por enanas blancas muy calientes creados en Tübingen por Valery Suleimanov y Victor Doroshenko, y un análisis muy profundo de la respuesta del instrumento en un régimen muy fuera de las especificaciones realizado en FAU y MPE. Creo que ilustra muy bien la importancia de la colaboración en la ciencia moderna y la amplia gama de conocimientos dentro del consorcio alemán eROSITA», añade el Prof. Dr. Klaus Werner de la Universidad de Tübingen.
Dado que estas novas se quedan sin combustible con bastante rapidez, se enfrían rápidamente y la radiación de rayos X se vuelve más débil hasta que finalmente se convierte en luz visible, que llegó a la Tierra medio día después de la detección de eROSITA y fue observada por telescopios ópticos. «Luego apareció una estrella aparentemente brillante, que en realidad era la luz visible de la explosión, y tan brillante que podía verse en el cielo nocturno a simple vista», explica Ole König. Aparentemente, «nuevas estrellas» como esta se han observado en el pasado y fueron nombradas «nova stella» o «nueva estrella» debido a su aparición inesperada. Dado que estas novas solo son visibles después del destello de rayos X, es muy difícil predecir tales brotes y se debe principalmente al azar cuando golpean los detectores de rayos X. «Tuvimos mucha suerte», dice Ole König.
