Astrónomos encuentra la binaria eclipsante más rápida, un valioso objetivo para los estudios de ondas gravitacionales

El telescopio de 2,1 metros en el Observatorio Nacional de Kitt Peak , donde se instala KPED. Crédito de la imagen: P. Marenfeld y NOAO / AURA / NSF

Las observaciones realizadas con un nuevo instrumento desarrollado para su uso en el telescopio de 2,1 metros (84 pulgadas) en el Observatorio Nacional Kitt Peak de la Fundación Nacional de Ciencia han llevado al descubrimiento de la enana blancas binarias eclipsantes más rápidas hasta ahora conocidas. Con un período orbital de solo 6,91 minutos, se espera que las estrellas que orbitan rápidamente sean una de las fuentes más fuertes de ondas gravitacionales detectables con LISA, el futuro detector de ondas gravitacionales basadas en el espacio. 

La densa “vida más allá de la muerte" de las estrellas 

Después de expandirse a una gigante roja al final de su vida, una estrella como el Sol eventualmente se convertirá en una enana blanca densa, un objeto con una masa como la del Sol aplastada hasta un tamaño comparable al de la Tierra. De manera similar, a medida que las estrellas binarias evolucionan, pueden engullir a su compañero en la fase de gigante roja, rotando muy cerca, dejando una binaria cercana de enanas blancas. Se espera que las binarias enanas blancas con órbitas muy cerradas sean fuentes fuertes de radiación de ondas gravitacionales. Aunque se anticipa que serán relativamente comunes, tales sistemas han demostrado ser esquivos, con solo unos pocos identificados hasta la fecha. 

Binaria de enanas blancas que establece récord 

Una nuevo sondeo del cielo nocturno, actualmente en curso en el Observatorio Palomar y el Observatorio Nacional Kitt Peak, está cambiando esta situación. 

Cada noche, Zwicky Transient Facility (ZTF, por sus siglas en inglés) de Caltech, un sondeo que usa el telescopio de 48 pulgadas en el Observatorio Palomar, escanea el cielo en busca de objetos que se mueven, parpadean o varían de brillo. Los candidatos prometedores son seguidos con un nuevo instrumento, el demostrador de multiplicación de electrones (KPED) Kitt Peak de 84 pulgadas, en el telescopio Kitt Peak de 2,1 metros para identificar binarias eclipsantes de corto período. KPED está diseñado para medir con velocidad y sensibilidad el brillo cambiante de las fuentes celestes. 

Este enfoque ha conducido al descubrimiento de ZTF J1539 + 5027 (o J1539 para abreviar), una binaria eclipsante de enanas blancas con el período más corto conocido hasta la fecha, solo 6,91 minutos. Las estrellas orbitan tan juntas que todo el sistema podría encajar dentro del diámetro del planeta Saturno. 

"A medida que la tenue estrella pasa frente a la más brillante, bloquea la mayor parte de la luz, lo que da como resultado el patrón de parpadeo de siete minutos que vemos en los datos de ZTF", explica el estudiante graduado de Caltech Kevin Burdge, autor principal del artículo que informa sobre la Descubrimiento, que aparece en la revista Nature. 

Animación del artística que muestra el eclipsante binario ZTF J1530 + 5027, que consta de dos objetos extremadamente densos (enanas blancas) que se orbitan entre sí aproximadamente cada siete minutos. Un segundo de tiempo en la animación representa dos minutos de tiempo real. La enana blanca más pequeña es un poco más grande que la Tierra y es la más masiva de las dos, con aproximadamente el 60% de la masa del sol. Su compañero es más grande pero menos masivo, con solo alrededor del 20 por ciento de la masa del sol. La separación orbital de estos objetos se está reduciendo en unos 26 centímetros por día debido a la emisión de ondas gravitacionales, representadas en verde cerca del final de la película. Crédito de la animación: Caltech / IPAC.

Una fuente fuerte de ondas gravitacionales 

Se prevé que las enanas blancas que orbitan de cerca se enrosquen cada vez más cerca, a medida que el sistema pierde energía al emitir ondas gravitacionales. La órbita de J1539 es tan estrecha que se predice que su período orbital será considerablemente más corto después de unos pocos años. El equipo de Burdge pudo confirmar la predicción de la relatividad general de una órbita cada vez más pequeña, al comparar sus nuevos resultados con los datos de archivo adquiridos en los últimos diez años. 

J1539 es una gema rara. Es una de las pocas fuentes conocidas de ondas gravitacionales (ondulaciones en el espacio y el tiempo) que será detectada por la futura misión espacial europea LISA (Interferómetro Láser Interferómetro Láser), que se espera que se lance en 2034. LISA, en la que la NASA desempeña un papel, será similar al LIGO (Observatorio de Interferencia Gravitatoria de Interferómetro Láser) de la National Science Foundation, que hizo historia en 2015 al realizar la primera detección directa de ondas gravitacionales de un par de agujeros negros en colisión. LISA detectará ondas gravitacionales desde el espacio a frecuencias más bajas. J1539 está bien adaptado a LISA; La frecuencia de onda gravitacional de 4,8 mHz de J1539 está cerca del pico de sensibilidad de LISA. 

Película de imágenes de J1539 tomadas con el telescopio de 2.1 metros Kitt Peak. La luz del sistema se desvanece dramáticamente cuando la enana blanca más brillante es eclipsada por su compañero. La secuencia se ha acelerado: en tiempo real, la secuencia completa tarda 6,91 minutos. Crédito de la animación: K. Burdge & Caltech.

Los descubrimientos continúan para el telescopio histórico 

El telescopio de 2,1 metros de Kitt Peak, el segundo mayor telescopio que se construyó en el lugar, ha estado en operación continua desde 1964. Su historia incluye muchos descubrimientos importantes en astrofísica, como el bosque de Lyman-alfa en los espectros del cuásar, la primera lente gravitacional por una galaxia, la primera enana blanca pulsante, y el primer estudio exhaustivo de la frecuencia binaria de estrellas como el Sol. El último resultado continúa su venerable trayectoria. 

Lori Allen, Directora del Observatorio Nacional Kitt Peak y Directora Interina de NOAO, dice: "Estamos encantados de ver que nuestro telescopio de 2,1 metros, ahora con más de 50 años, sigue siendo una plataforma poderosa para el descubrimiento". 

"Estas maravillosas observaciones son una prueba más de que la ciencia de vanguardia se puede hacer en telescopios de tamaño modesto, como los 2,1 metros en la era moderna", agrega Chris Davis, Oficial de Programas de la NSF para NOAO. 

¡Más emociones por delante! 

Tan notable como es, J1539 se descubrió con solo una pequeña parte de los datos esperados de ZTF. Se encontró en el análisis inicial del equipo ZTF de 10 millones de fuentes, mientras que el proyecto finalmente estudiará más de mil millones de estrellas. 

"Solo unos meses después de conectarse, los astrónomos de ZTF han detectado enanas blancas orbitando entre sí a un ritmo récord", dice la Directora Asistente de Ciencias Naturales y Físicas de la NSF, Anne Kinney. "Es un descubrimiento que mejorará en gran medida nuestra comprensión de estos sistemas, y es una muestra de sorpresas aún por venir". 

Referencia: “Desintegración orbital relativista general en un sistema binario eclipsante del período orbital de siete minutos”, Burdge et al. 2019, Nature , https://www.nature.com/articles/s41586-019-1403-0

Fuente: Association of Universities for Research in Astronomy (AURA),