Por primera vez Hubble mide directamente la masa de una enana blanca solitaria

Utilizando el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA, los astrónomos han medido directamente por primera vez la masa de una sola estrella enana blanca aislada: el núcleo sobreviviente de una estrella similar al Sol quemada.

Hubble ha utilizado microlentes para medir la masa de una estrella enana blanca. La enana, llamada LAWD 37, es una estrella quemada en el centro de esta imagen del Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA. Aunque su horno de fusión nuclear se ha apagado, el calor atrapado chisporrotea en la superficie a aproximadamente 100 000 grados centígrados, lo que hace que el remanente estelar brille ferozmente. La enana blanca tiene un "pico" porque es tan brillante que la luz "se desangró" en el detector CCD de la cámara Hubble. Esto interfirió con una de las fechas de observación para medir la posición de esa estrella de fondo en el cielo. [Descripción de la imagen: una sola estrella azul brillante domina la escena contra un fondo oscuro con muchas estrellas pequeñas visibles en la distancia.] Crédito: NASA, ESA, P. McGill (Univ. de California, Santa Cruz y Universidad de Cambridge), K. Sahu (STScI), J. Depasquale (STScI)

Los investigadores encontraron que la enana blanca tiene el 56 por ciento de la masa de nuestro Sol. Esto está de acuerdo con las predicciones teóricas anteriores de su masa y corrobora las teorías actuales de cómo evolucionan las enanas blancas como producto final de la evolución de una estrella típica. La observación única arroja información sobre las teorías de la estructura y composición de las enanas blancas.

Hasta ahora, las mediciones previas de la masa de las enanas blancas se han obtenido a partir de la observación de enanas blancas en sistemas estelares binarios. Al observar el movimiento de dos estrellas en órbita conjunta, se puede usar la física newtoniana directa para medir sus masas. Sin embargo, estas medidas pueden ser inciertas si la estrella compañera de la enana se encuentra en una órbita de período largo de cientos o miles de años. El movimiento orbital se puede medir con telescopios solo en una breve porción del movimiento orbital de la enana.

Para esta enana blanca sin compañía, los investigadores tuvieron que emplear un truco de la naturaleza, llamado microlente gravitacional. La luz de una estrella de fondo fue ligeramente desviada por la deformación gravitatoria del espacio por la estrella enana de primer plano. Cuando la enana blanca pasó frente a la estrella de fondo, la microlente hizo que la estrella apareciera temporalmente desplazada de su posición real en el cielo.

Los resultados se informan en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. El autor principal es Peter McGill, anteriormente de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido y ahora con sede en la Universidad de California, Santa Cruz.

McGill usó el Hubble para medir con precisión cómo la luz de una estrella distante se doblaba alrededor de la enana blanca, conocida como LAWD 37, lo que provocaba que la estrella de fondo cambiara temporalmente su posición aparente en el cielo.

Esta ilustración muestra cómo la gravedad de una estrella enana blanca en primer plano deforma el espacio y desvía la luz de una estrella distante detrás de ella. Los astrónomos que utilizan el telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA han medido por primera vez directamente la masa de una sola estrella aislada que no sea nuestro Sol, gracias a este truco óptico de la naturaleza. El objetivo era una enana blanca, el núcleo sobreviviente de una estrella similar al Sol quemada. Cuanto mayor es la desviación infinitesimal temporal de la imagen de la estrella de fondo, más masiva es la estrella de primer plano. Los investigadores encontraron que la enana tiene el 56 por ciento de la masa de nuestro Sol. Este efecto, llamado lente gravitacional, fue predicho como consecuencia de la teoría general de la relatividad de Einstein de hace un siglo. Las observaciones de un eclipse solar en 1919 proporcionaron la primera prueba experimental de la relatividad general. Pero Einstein no pensó que se pudiera hacer el mismo experimento con estrellas más allá de nuestro Sol debido a la extraordinaria precisión requerida. Crédito: NASA, ESA, A. Feild

Kailash Sahu del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland, EE. UU., el investigador principal del Hubble en esta última observación, utilizó por primera vez microlentes en 2017 para medir la masa de otra enana blanca, Stein 2051 B. Pero esa enana está en una muy separada sistema binario. “Nuestra última observación proporciona un nuevo punto de referencia porque LAWD 37 es todo por sí mismo”, dijo Sahu.

Los restos colapsados de una estrella que se apagó hace mil millones de años, LAWD 37 ha sido ampliamente estudiado porque está a solo 15 años luz de distancia en la constelación de Musca. "Debido a que esta enana blanca está relativamente cerca de nosotros, tenemos muchos datos sobre ella: tenemos información sobre su espectro de luz, pero la pieza faltante del rompecabezas ha sido una medida de su masa", dijo McGill. .

El equipo se concentró en la enana blanca gracias a la misión Gaia de la ESA, que realiza mediciones extraordinariamente precisas de casi dos mil millones de posiciones estelares. Se pueden usar múltiples observaciones de Gaia para rastrear el movimiento de una estrella. Con base en estos datos, los astrónomos pudieron predecir que LAWD 37 pasaría brevemente frente a una estrella de fondo en noviembre de 2019.

Una vez que se supo esto, el Hubble se utilizó para medir con precisión durante varios años cómo la posición aparente de la estrella de fondo en el cielo se desviaba temporalmente durante el paso de la enana blanca.

“Estos eventos son raros y los efectos son pequeños”, dijo McGill. “Por ejemplo, el tamaño de nuestro desplazamiento medido es como medir la longitud de un automóvil en la Luna visto desde la Tierra”.

Dado que la luz de la estrella de fondo era tan débil, el principal desafío para los astrónomos fue extraer su imagen del resplandor de la enana blanca, que es 400 veces más brillante que la estrella de fondo. Solo el Hubble puede hacer este tipo de observaciones de alto contraste en luz visible.

"Incluso cuando haya identificado un evento de uno en un millón, todavía es extremadamente difícil hacer estas mediciones", dijo Leigh Smith, de la Universidad de Cambridge. "El resplandor de la enana blanca puede causar rayas en direcciones impredecibles, lo que significa que tuvimos que analizar cada una de las observaciones del Hubble con mucho cuidado y sus limitaciones para modelar el evento y estimar la masa de LAWD 37".

Este gráfico muestra cómo se utilizó la microlente para medir la masa de una estrella enana blanca. La enana, llamada LAWD 37, es una estrella apagada en el centro de esta imagen del telescopio espacial Hubble. Aunque su horno de fusión nuclear se ha apagado, el calor atrapado chisporrotea en la superficie a aproximadamente 100 000 grados centígrados, lo que hace que el remanente estelar brille ferozmente. El cuadro insertado muestra cómo pasó la enana frente a una estrella de fondo en 2019. La línea azul ondulada traza el movimiento aparente de la enana en el cielo visto desde la Tierra. Aunque la enana sigue una trayectoria recta, el movimiento de la Tierra a medida que orbita alrededor del Sol imparte un aparente desplazamiento sinusoidal debido a la paralaje. (La estrella está a solo 15 años luz de distancia. Por lo tanto, se mueve a un ritmo más rápido contra el fondo estelar). Al pasar por la estrella de fondo más débil, el campo gravitatorio de la enana deformó el espacio (como predijo la teoría general de la relatividad de Einstein hace un siglo). Y esta desviación fue medida con precisión por la extraordinaria resolución del Hubble. La cantidad de desviación produce una masa para la enana blanca del 56 por ciento de la masa de nuestro Sol y proporciona información sobre las teorías de la estructura y composición de las enanas blancas. Esta es la primera vez que los astrónomos miden directamente la masa de una sola estrella aislada que no sea nuestro Sol. Crédito: NASA, ESA, P. McGill (Univ. de California, Santa Cruz y Univ. de Cambridge), K. Sahu (STScI), J. Depasquale (STScI)

"La precisión de la medición de masa de LAWD 37 nos permite probar la relación masa-radio de las enanas blancas", dijo McGill. “Esto significa probar la teoría de la materia degenerada (un gas tan súper comprimido bajo la gravedad que se comporta más como materia sólida) bajo las condiciones extremas dentro de esta estrella muerta”, agregó.

Los investigadores dicen que sus resultados abren la puerta para futuras predicciones de eventos con datos de Gaia. Además del Hubble, estas alineaciones ahora se pueden detectar con el telescopio espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA. Debido a que Webb funciona en longitudes de onda infrarrojas, el resplandor azul de una enana blanca en primer plano se ve más tenue en la luz infrarroja y la estrella de fondo se ve más brillante.

Basado en los poderes predictivos de Gaia, Sahu está observando otra enana blanca, LAWD 66, con Webb. La primera observación se realizó en 2022. Se tomarán más observaciones a medida que la deflexión alcance su punto máximo en 2024 y luego disminuya.

“Gaia realmente ha cambiado el juego: es emocionante poder usar los datos de Gaia para predecir cuándo sucederán los eventos y luego observar cómo suceden”, dijo McGill. “Queremos continuar midiendo el efecto de microlente gravitacional y obtener mediciones de masa para muchos más tipos de estrellas”.

En su teoría general de la relatividad de 1915, Einstein predijo que cuando un objeto masivo y compacto pasa frente a una estrella de fondo, la luz de la estrella se desviaría alrededor del objeto de primer plano debido a la deformación del espacio por su campo gravitatorio.

Este gráfico muestra cómo se utilizó la microlente para medir la masa de una estrella enana blanca. La enana, llamada LAWD 37, es una estrella apagada en el centro de esta imagen del telescopio espacial Hubble. Aunque su horno de fusión nuclear se ha apagado, el calor atrapado chisporrotea en la superficie a aproximadamente 100 000 grados centígrados, lo que hace que el remanente estelar brille ferozmente. Los cuadros insertados a la derecha muestran cómo pasó la enana frente a una estrella de fondo en 2019. La línea azul ondulada traza el movimiento aparente de la enana en el cielo visto desde la Tierra. Aunque la enana sigue una trayectoria recta, el movimiento de la Tierra a medida que orbita alrededor del Sol imparte un aparente desplazamiento sinusoidal debido a la paralaje. (La estrella está a solo 15 años luz de distancia y, por lo tanto, se mueve a un ritmo más rápido contra el fondo estelar). Al pasar por la estrella de fondo más débil, el campo gravitatorio de la enana deformó el espacio (como predijo la teoría general de la relatividad de Einstein hace un siglo). Y esta desviación fue medida con precisión por la extraordinaria resolución del Hubble. La posición de compensación del enano es de color naranja. La cantidad de deflexión produce una masa para la enana blanca del 56 por ciento de la masa de nuestro Sol, y esto proporciona información sobre las teorías de la estructura y composición de las enanas blancas. Esta es la primera vez que los astrónomos miden directamente la masa de una sola estrella aislada que no sea nuestro Sol. La enana blanca tiene un "pico" porque es tan brillante que la luz "se desangró" en el detector CCD de la cámara Hubble. Esto interfirió con una de las fechas de observación para medir la posición de esa estrella de fondo en el cielo. Crédito: NASA, ESA, P. McGill (Univ. de California, Santa Cruz y Universidad de Cambridge), K. Sahu (STScI), J. Depasquale (STScI)

Exactamente un siglo antes de esta última observación del Hubble, en 1919, dos expediciones organizadas por los británicos al hemisferio sur detectaron por primera vez este efecto de lente durante un eclipse solar el 19 de mayo. Fue aclamado como la primera prueba experimental de la relatividad general: que la gravedad deforma el espacio. Sin embargo, Einstein era pesimista de que el efecto pudiera detectarse alguna vez para estrellas fuera de nuestro Sistema Solar debido a la precisión requerida. “Nuestra medida es 625 veces más pequeña que el efecto medido en el eclipse solar de 1919”, dijo McGill.

Más información

El Telescopio Espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la ESA y la NASA.

El equipo internacional de astrónomos de este estudio está formado por Peter McGill (Universidad de Cambridge, Reino Unido; Universidad de California Santa Cruz, EE. UU.), Jay Anderson (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, EE. UU.), Stefano Casertano (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, EE. UU.), Kailash C. Sahu (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, EE. UU.), Pierre Bergeron (Universidad de Montreal, Canadá), Simon Blouin (Universidad de Victoria, Canadá), Patrick Dufour (Universidad de Montreal, Canadá), Leigh C. Smith (Universidad de Cambridge, Reino Unido), N. Wyn Evans (Universidad de Cambridge, Reino Unido), Vasily Belokurov (Universidad de Cambridge, Reino Unido), Richard L. Smart (INAF – Observatorio Astrofísico de Torino, Italia), Andrea Bellini (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, EE. UU.), Annalisa Calamida (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, EE. UU.), Martin Dominik (Universidad de St Andrews, Reino Unido), Noé Kains (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, EE. UU.), Jonas Klüter (Universidad Estatal de Luisiana, EE. UU.), Martin Bo Nielsen ( Universidad de Birmingham, Reino Unido; Aarhus Uni Versity, Dinamarca; New York University Abu Dhabi, Emiratos Árabes Unidos) y Joachim Wambsganss (Universidad de Heidelberg, Alemania)

Crédito de la imagen: NASA, ESA, A. Feild

Enlaces

• ESA/Hubble Word Bank: lente gravitacional
• Misión Gaia de la ESA
• Publicación en el sitio web de STScI
• Papel de la ciencia

Contactos

Pedro McGill

Universidad de California, Santa Cruz, California

Universidad de Cambridge, Cambridge, Reino Unido

Correo electrónico: pemcgill@ucsc.edu

Kailash Sahu

Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Baltimore, Maryland

Correo electrónico: sahu@stsci.edu

Betania Downer

Director de Comunicaciones Científicas de ESA/Hubble

Correo electrónico: Bethany.Downer@esahubble.org

Publicado en ESA/Hubble el 2 de febrero del 2023, enlace publicación.