¿Por qué las estrellas desaparecen misteriosamente del cielo nocturno?

Una impresión técnica del sistema binario VTFS 243 Crédito: ESOL. Calzada CC BY 4.0

Los astrofísicos de la Universidad de Copenhague están ayudando a explicar un misterioso fenómeno en el que las estrellas desaparecen repentinamente del cielo nocturno. Su estudio de un inusual sistema estelar binario ha aportado pruebas convincentes de que las estrellas masivas pueden colapsar por completo y convertirse en agujeros negros sin una explosión de supernova.

Un día, la estrella en el centro de nuestro sistema solar, el Sol, comenzará a expandirse hasta engullir a la Tierra. Luego se volverá cada vez más inestable hasta que finalmente se reducirá hasta convertirse en un cuerpo pequeño y denso conocido como enano blanco.

Sin embargo, si el Sol fuera aproximadamente ocho o más veces más masivo, probablemente explotaría en una explosión masiva, en forma de supernova. Su colapso provocará una explosión, arrojando energía y masa al espacio con una fuerza tremenda, antes de dejar atrás una enorme masa de energía. Estrella neutrón O un agujero negro a su paso.

Si bien este es un conocimiento básico sobre cómo mueren las estrellas masivas, todavía queda mucho por entender sobre el cielo estrellado y la espectacular muerte de estas estrellas en particular.

El sistema estelar binario VFTS 243 se encuentra en la galaxia enana “Gran Nube de Magallanes” en las proximidades de la Vía Láctea. Las Nubes de Magallanes son galaxias satélite de la Vía Láctea. Estas galaxias enanas, que orbitan alrededor del centro galáctico, sólo pueden verse desde el hemisferio sur. Aquí, se pueden ver sobre los telescopios auxiliares del Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral en Paranal, Chile. Crédito: JC Muñoz/ESO

Una nueva investigación realizada por astrofísicos del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague proporciona la evidencia más sólida hasta el momento de que las estrellas muy masivas pueden permanecer mucho más sigilosas y secretas que las supernovas. De hecho, su investigación sugiere que con suficiente masa, la gravedad de una estrella podría ser tan fuerte que no se produciría ninguna explosión cuando muriera. Alternativamente, la estrella podría sufrir lo que se conoce como un colapso total.

“Creemos que el núcleo de la estrella podría colapsar por su propio peso, como les ocurre a las estrellas masivas en la fase final de sus vidas, pero en lugar de que el colapso culmine en una explosión de supernova brillante que eclipsa a su galaxia, las estrellas tienen más de ocho veces la masa. Se espera que exista «. Sol, el colapso continúa hasta que la estrella se convierte en estrella. Agujero negro“Explica el primer autor Alejandro Vigna-Gómez, quien era investigador postdoctoral en el Instituto Niels Bohr cuando comenzó este estudio.

Hechos y mitos: estrellas que desaparecen

En los tiempos modernos, ha habido muchas observaciones sobre Estrellas que desaparecen inexplicablemente.

“Una encuesta sobre nada”. Dirigido por el astrofísico Chris Kochanek, es un ejemplo de un esfuerzo de investigación que busca activamente estrellas en desaparición y explicaciones para su desaparición.

El lector curioso también podrá profundizar en las descripciones históricas. A menudo tiene algo que ver con la desaparición repentina de estrellas brillantes, lo que coincide con los escenarios de supernovas. Pero hay otras historias sobre estrellas que desaparecen repentinamente, como el mito griego asociado al cúmulo estelar de las Pléyades, conocido como las Siete Hermanas. El mito de las Pléyades describe a las siete hijas del gigante Atlas y la ninfa Pleione. Según la leyenda, una de sus hijas se casó con un humano y se ocultó, lo que proporciona una explicación muy poco científica, pero hermosa, de por qué solo vemos… Seis estrellas en las Pléyades.

Este descubrimiento está relacionado con el fenómeno de la desaparición de estrellas, que ha despertado el interés de los astrónomos en los últimos años, y puede proporcionar un ejemplo claro y una explicación científica razonable para fenómenos de este tipo.

“Si uno se parara y contemplara una estrella visible que experimenta un colapso total, con el tiempo podría ser como ver una estrella extinguirse repentinamente y desaparecer del cielo. El colapso fue tan completo que no se produjo ninguna explosión, nada escapó y uno podría ver. Ninguna supernova brilla en el cielo nocturno Los astrónomos ya han observado recientemente la repentina desaparición de estrellas brillantes. “No podemos estar seguros de que haya una conexión, pero los resultados que obtuvimos del análisis del VFTS 243 nos acercan mucho más a una explicación fiable”. dice Alejandro Vigna-Gómez.

Una vista desde el Telescopio Espacial Webb de la Nebulosa Tarántula, donde se encuentra VTFS 243. Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA y STScI.

Un sistema estelar inusual sin signos de explosión

El descubrimiento fue motivado por la reciente observación de un inusual sistema estelar binario en el borde de nuestra galaxia llamado VFTS 243. Aquí, una estrella masiva y un agujero negro aproximadamente diez veces más grande que nuestro Sol orbitan entre sí.

Los científicos saben que existen sistemas estelares binarios en el universo vía Láctea Durante décadas, una estrella se convirtió en un agujero negro. Pero el reciente descubrimiento de VFTS 243, más allá de la Vía Láctea en la Gran Nube de Magallanes, es verdaderamente especial.

Hechos: agujeros negros

Ni siquiera la luz puede escapar de los agujeros negros. Como tales, no pueden observarse directamente. Sin embargo, algunos agujeros negros son reconocibles debido a las grandes cantidades de energía liberadas por los gases que los orbitan. Otros, como en el caso de VFTS 243, pueden observarse por su influencia sobre las estrellas alrededor de las cuales orbitan.

En general, los astrónomos creen que existen tres tipos de agujeros negros:

Los agujeros negros estelares, como el de VFTS 243, se forman cuando colapsan estrellas con una masa de más de ocho veces la masa del Sol. Los científicos creen que puede haber hasta 100 millones de ellos sólo en nuestra galaxia.

Se cree que en el centro de casi todas las galaxias existen agujeros negros supermasivos (entre 100.000 y 10.000 millones de veces la masa del Sol). Sagitario A* es el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Los agujeros negros de masa intermedia (IMBH), de 100 a 100.000 veces la masa de nuestro Sol, han sido el eslabón perdido durante mucho tiempo. En los últimos años han surgido varios candidatos creíbles.

También existen teorías que describen otros tipos de agujeros negros, que aún no han sido descubiertos. Se suponía que uno de estos agujeros, llamado agujero negro primordial, se formó en el comienzo del universo y, en teoría, podría ser microscópico.

“Normalmente, los eventos de supernova en los sistemas estelares se pueden medir de diferentes maneras después de que ocurren, pero a pesar de que VFTS 243 contiene una estrella que colapsó en un agujero negro, no se han encontrado rastros de una explosión en ninguna parte. «La órbita del sistema apenas ha cambiado desde que la estrella colapsó en un agujero negro», dice Alejandro Vigna-Gómez.

Los investigadores analizaron datos de observación en busca de un conjunto de señales que podrían esperarse de un sistema estelar que experimentó una explosión de supernova en el pasado. En general, consideran que la evidencia de tal evento es simple y poco convincente.

El sistema no muestra signos de una “patada de nacimiento” significativa, es decir, la aceleración de los objetos orbitales. También es muy simétrica, casi perfectamente circular en su órbita, y los signos residuales de liberación de energía durante el colapso del núcleo de la estrella anterior indican un tipo de energía consistente con un colapso completo.

«Nuestro análisis apunta inequívocamente al hecho de que el agujero negro en VFTS 243 probablemente se formó instantáneamente, con energía perdida principalmente por neutrinos», afirma la profesora Irene Tambora del Instituto Niels Bohr, que también participó en el estudio.

Un sistema de referencia para futuros estudios

Según el profesor Tambora, VFTS 243 abre la posibilidad de comparar una variedad de teorías astrofísicas y cálculos de modelos con observaciones reales. Ella espera que el sistema estelar sea importante para estudiar la evolución y el colapso de las estrellas.

“Nuestros resultados destacan a VFTS 243 como el mejor caso observable hasta ahora de la teoría de los agujeros negros estelares formados mediante colapso total, donde la explosión de supernova que nuestros modelos han demostrado es posible falla. Es una prueba importante del mundo real para estos modelos. «, dice el profesor. «Sin duda esperamos que «el sistema sirva como punto de referencia crítico para futuras investigaciones sobre la evolución y el colapso estelar».

Información adicional: Falta la «patada de nacimiento» y otros signos (faltantes) de una supernova

La “patada de nacimiento” no está ahí

Las fuerzas violentas de la supernova afectan directamente a las estrellas de neutrones recién nacidas o a los agujeros negros que quedan tras la emisión asimétrica de materia durante la explosión. Esto es lo que los investigadores llaman la “patada del nacimiento”. Esta patada hace que el cuerpo comprimido se acelere. El impulso del nacimiento suele dar a las estrellas de neutrones una velocidad mensurable de entre 100 y 1.000 kilómetros por segundo. Se espera que la velocidad sea menor en el caso de los agujeros negros, pero sigue siendo significativa.

Debido a que el agujero negro en VFTS 243 parece haber acelerado a aproximadamente 4 km/s, no muestra signos de haber recibido un impulso importante, como se esperaría si hubiera pasado por una supernova.

Asimismo, la simetría de la órbita de un sistema estelar suele mostrar signos de que ha sentido el impacto de una violenta explosión de supernova, debido a la eyección de materia que se produce. En cambio, los investigadores encontraron simetría.

“La órbita del VFTS es casi circular y nuestro análisis indica que no hay signos de asimetría significativa durante el colapso, lo que nuevamente indica que no hubo explosión”, dice Alejandro Vigna Gómez.

Explosión de energía

Al analizar la órbita del sistema estelar binario, el equipo también pudo calcular la cantidad de masa y energía liberada durante la formación del agujero negro.

Sus estimaciones se ajustan a un escenario en el que el impulso más pequeño que se produjo durante el colapso estelar no fue causado por materia bariónica, que incluye neutrones y protones, sino por los llamados neutrinos. Los neutrinos tienen muy poca masa e interactúan muy débilmente. Este es otro indicio de que el sistema no sufrió una explosión.

Referencia: “Restricciones a las patadas de neutrinos natales desde el agujero negro binario VFTS 243” por Alejandro Vigna-Gomez, Reinhold Wilcox, Irene Tambora, Ilya Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Hans-Thomas Janka, Daniel Kress, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar y Tomás M. Torres, 9 de mayo de 2024, Cartas de revisión física.
doi: 10.1103/PhysRevLett.132.191403

Los siguientes investigadores contribuyeron a la investigación:

Alejandro Vigna-Gomez, Irene Tambora, Hans Thomas Janka, Daniel Kress, Reinhold Wilcox, Elia Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar, Thomas M. Torres

Los investigadores pertenecen a varias instituciones de investigación:

• Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague – Academia Internacional y Dark
• Instituto Max Planck de Astrofísica, Garching, Alemania
• Instituto de Astronomía, Universidad de Lovaina, Lovaina, Bélgica
• Escuela de Física y Astronomía, Universidad de Monash, Clayton, Australia
• Centro de excelencia ARC para la detección de ondas gravitacionales, Osgraph, Australia
• Centro de Astrofísica Computacional, Flatiron Institute, Nueva York, EE.UU.
• Observatorio Steward, Universidad de Arizona, Tucson, EE.UU.
• Departamento de Astronomía, Universidad de WashingtonSeattle, Estados Unidos
• Universidad Técnica de Munich, Facultad de Ciencias Naturales TUM, Departamento de Física, Garching, Alemania
• Observatorio Europeo Austral, Garching, Alemania
• Facultad de Física y Astronomía, Universidad de Tel Aviv, Tel Aviv, Israel
• Universidad de Aalborg, Aalborg, Dinamarca