Los astrónomos han observado directamente por primera vez cómo la luz intensa de las estrellas puede “empujar” la materia. Investigadores de las universidades de Cambridge y Sydney hicieron la observación al rastrear una columna gigante de polvo generada por las violentas interacciones entre dos estrellas masivas.
Los resultados, obtenidos con imágenes infrarrojas del sistema estelar binario WR140 tomadas durante 16 años, se informan en la revista Nature.
En un estudio complementario de WR140, publicado en Nature Astronomy, el telescopio espacial James Webb (JWST) de la NASA pudo ver mucho más profundo para tomar una imagen no solo de una sola columna de polvo en aceleración, sino de casi 20 de ellas, anidadas unas dentro de otras como un juego gigante de pieles de cebolla.
WR140 se compone de una enorme estrella Wolf-Rayet y una estrella supergigante azul aún más grande, unidas gravitacionalmente en una órbita de ocho años. Esta estrella binaria, en la constelación Cygnus, ha sido monitoreada durante dos décadas con uno de los telescopios ópticos más grandes del mundo en el Observatorio Keck en Hawai.
WR140 hincha episódicamente penachos de polvo que se extienden miles de veces la distancia entre la Tierra y el Sol. Estas columnas de polvo, que se producen cada ocho años, brindan a los astrónomos una oportunidad única de observar cómo la luz de las estrellas puede afectar la materia.
Se sabe que la luz lleva impulso, ejerciendo un empuje sobre la materia conocido como presión de radiación. Los astrónomos a menudo presencian el resultado de este fenómeno en forma de materia que se desliza a gran velocidad alrededor del cosmos, pero ha sido un proceso difícil de atrapar en el acto. El registro directo de la aceleración debido a fuerzas distintas de la gravedad rara vez se observa, y nunca en un entorno estelar como este.
“Es difícil ver que la luz de las estrellas cause una aceleración porque la fuerza se desvanece con la distancia y otras fuerzas toman el control rápidamente”, dijo Yinuo Han del Instituto de Astronomía de Cambridge, primer autor del artículo de Nature. “Para presenciar la aceleración al nivel en que se vuelve medible, el material debe estar razonablemente cerca de la estrella o la fuente de la presión de radiación debe ser muy fuerte. WR140 es una estrella binaria cuyo feroz campo de radiación sobrealimenta estos efectos, colocándolos al alcance de nuestros datos de alta precisión”.
Todas las estrellas generan vientos estelares, pero los de las estrellas Wolf-Rayet pueden parecerse más a un huracán estelar. Elementos como el carbono en el viento se condensan en forma de hollín, que permanece lo suficientemente caliente como para brillar en el infrarrojo. Como humo en el viento, esto le da a los telescopios algo que se puede observar.
El equipo utilizó una tecnología de imágenes conocida como interferometría que pudo actuar como una lente de zoom para el espejo del telescopio Keck de 10 metros, lo que permitió a los investigadores recuperar imágenes suficientemente nítidas de WR140 para el estudio.
Han y su equipo descubrieron que el polvo no sale de la estrella con el viento en una bola nebulosa. En cambio, el polvo se forma donde chocan los vientos de las dos estrellas, en la superficie de un frente de choque en forma de cono entre ellos.
Debido a que la estrella binaria en órbita está en constante movimiento, el frente de choque también gira. El penacho de hollín se envuelve en una espiral, de la misma manera que las gotas forman una espiral en un aspersor de jardín.
Los investigadores descubrieron que WR140 tiene otros trucos bajo la manga. Las dos estrellas no están en órbitas circulares sino elípticas, y la producción de polvo se activa y desactiva a medida que el binario se acerca y se aleja del punto de mayor aproximación. Al modelar estos efectos en la geometría tridimensional de la columna de polvo, los astrónomos pudieron medir la ubicación de las características del polvo en el espacio tridimensional.
“Como un reloj, esta estrella infla anillos de humo esculpidos cada ocho años, con toda esta maravillosa física escrita y luego inflada en el viento como una pancarta para que la leamos”, dijo el coautor, el profesor Peter Tuthill de la Universidad de Sydney. “Ocho años después, cuando el binario regresa a su órbita, aparece otro igual que el anterior, saliendo al espacio dentro de la burbuja del anterior, como un juego de muñecas rusas gigantes anidadas”.
Debido a que el polvo producido por este Wolf-Rayet es tan predecible y se expande a distancias tan grandes, ofreció a los astrónomos un laboratorio único para examinar la zona de aceleración.
“En ausencia de fuerzas externas, cada espiral de polvo debería expandirse a una velocidad constante”, dijo Han, quien también es coautor del artículo de JWST. “Al principio estábamos desconcertados porque no podíamos hacer que nuestro modelo se ajustara a las observaciones, hasta que finalmente nos dimos cuenta de que estábamos viendo algo nuevo. Los datos no encajaban porque la velocidad de expansión no era constante, sino que se estaba acelerando. Captamos eso por primera vez en cámara”.
“En cierto sentido, siempre supimos que esta debía ser la razón de la salida, pero nunca soñé que seríamos capaces de ver la física en funcionamiento de esta manera”, dijo Tuthill. “Cuando miro los datos ahora, veo el penacho de WR140 desplegando una especie de vela gigante hecha de polvo. Cuando atrapa el viento fotónico que fluye desde la estrella, como un yate que recibe una ráfaga, da un salto repentino hacia adelante”.
Con JWST ahora en funcionamiento, los investigadores pueden aprender mucho más sobre WR140 y sistemas similares. “El telescopio Webb ofrece nuevos extremos de estabilidad y sensibilidad”, dijo Ryan Lau, quien dirigió el estudio JWST. “Ahora podremos hacer observaciones como esta mucho más fácilmente que desde el suelo, abriendo una nueva ventana al mundo de la física de Wolf-Rayet”.
Con información de Nature Astronomy
