Misteriosa muerte de estrella de carbono produce espectáculo con seis anillos

Un equipo de científicos presenció con un nivel de detalle sin precedentes los últimos estertores de V Hydrae (V Hya). Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y al análisis de datos del telescopio espacial Hubble (HST), un equipo de investigadores descubrió seis anillos en lenta expansión y dos estructuras con forma de reloj de arena generados por la expulsión de materia en alta velocidad. Los resultados de este estudio se publicaron hoy en la revista The Astrophysical Journal.

 

V Hya es una estrella en etapa de rama asintótica gigante (RAG) rica en carbono ubicada a unos 1.300 años luz de la Tierra, en la constelación de Hidra. Más del 90 % de las estrellas con masa similar o superior a la del Sol terminan convirtiéndose en una RAG al despojarse del combustible necesario para alimentar sus procesos nucleares. Entre millones de estrellas de este tipo, V Hya ha atraído el interés de los científicos debido a su comportamiento y sus características hasta ahora peculiares, como las ingentes erupciones de plasma que ocurren cada 8,5 años y la presencia de una estrella vecina casi invisible que contribuye al comportamiento explosivo de V Hya.

 

“Nuestro estudio confirma con claridad que el modelo tradicional de la forma en que se extinguen las estrellas RAG –mediante un efecto de eyección de masa que cobra la forma de un chorro esférico y relativamente estable de más de 100.000 años– es, en el mejor de los casos, incompleto y, en el peor, incorrecto”, afirma Raghvendra Sahai, astrónomo del Jet Propulsion Laboratory de la NASA e investigador principal del estudio. “Es muy probable que en su extinción intervenga de forma considerable una compañera estelar o subestelar cercana, y entender las interacciones binarias es de suma importancia para la astrofísica, además de constituir uno de sus principales desafíos. En el caso de V Hya, la combinación de una estrella cercana y de una hipotética estrella distante sería responsable, al menos en cierta medida, de la presencia de los seis anillos y de los veloces chorros que están provocando la inusual extinción de la estrella.  

 

Mark Morris, astrónomo de la Universidad de California en Los Ángeles y coautor de la investigación, agrega: “V Hydrae está atrapada en un proceso de despojo de su propia atmósfera –y, en última instancia, de su masa–, algo que la mayoría de las estrellas rojas gigantes hacen. Pero para nuestra sorpresa, descubrimos que, en este caso, la materia está siendo expulsada bajo la forma de una serie de anillos. Esta es la primera y única vez que se observa que el gas eyectado por una estrella RAG fluye como si fueran unos anillos de humo en expansión.

 

Los seis anillos llevan unos 2.100 años alejándose de V Hya y expandiéndose, agregando masa y alimentando el crecimiento de una estructura de alta densidad con forma de disco estirado y torcido que rodea la estrella. El equipo apodó esta estructura DUDE, sigla de Disk Undergoing Dynamical Expansion (‘disco en curso de expansión dinámica’).  

 

“La etapa final de la evolución estelar, cuando las estrellas hacen la transición de gigante roja a remanente estelar de enana blanca, es un proceso complejo que no entendemos a cabalidad”, señala Mark Morris. “Descubrir que en este proceso puede intervenir la eyección de anillos de gas y a la vez la expulsión de chorros intermitentes de material en alta velocidad supone una nueva y fascinante arista en nuestra investigación sobre cómo mueren las estrellas”.

 

Raghvendra Sahai agrega: V Hya se encuentra en una etapa de transición crítica pero breve, y es muy difícil encontrar estrellas en esta etapa, o mejor dicho, en flagrante. Tuvimos suerte, y pudimos obtener imágenes de todos los fenómenos de pérdida de masa de V Hya, que nos permiten entender mejor cómo las estrellas moribundas pierden masa al final de su vida”.

 

Además de un conjunto de anillos en expansión y un disco estirado, V Hya ostenta dos estructuras con forma de reloj de arena –junto con otra estructura con forma de chorro– que se expanden a unos 240 kilómetros por segundo. Los astrónomos ya habían observado grandes estructuras de este tipo en nebulosas planetarias, como MyCn 18 –también conocida como Nebulosa del Reloj de Arena–, una joven nebulosa de emisión que se encuentra a unos 8.000 años luz de la Tierra, en la constelación de Musca, y la Nebulosa del Cangrejo del Sur, una nebulosa de emisión situada a unos 7.000 años luz de la Tierra, en la constelación del Centauro.

 

Raghvendra Sahai cuenta: “Observamos la presencia de chorros muy rápidos por primera vez en 1981. Luego, en 2022, descubrimos unas erupciones consistentes en manchas de plasma compactas eyectadas por V Hya a gran velocidad. Y ahora nuestro hallazgo de erupciones de ángulo amplio en V Hya completa el rompecabezas al revelar cómo se pueden crear estas estructuras durante la etapa evolutiva en la que se encuentra esta estrella roja gigante extraluminosa.

 

Debido tanto a la distancia como a la densidad del polvo que rodea la estrella, para estudiar V Hya se necesitaba un instrumento único, lo suficientemente potente para poder observar que se encuentra muy lejos y que, al mismo tiempo, es muy difícil o hasta imposible de observar con telescopios ópticos. Para ello, el equipo usó los receptores de Banda 6 (1,23 mm) y Banda 7 (0.85 mm) de ALMA, que revelaron con una definición increíble los distintos anillos y chorros de la estrella.

 

“Los procesos que se dan en las etapas finales de las estrellas de baja masa, y durante la etapa RAG en particular, han fascinado desde siempre a los astrónomos y han sido difíciles de entender”, explica Joe Pesce, astrónomo y NSF Program Officer de NRAO/ALMA. “La capacidad y la resolución de ALMA finalmente nos están permitiendo ser testigos de estos acontecimientos con un nivel de detalle increíble, necesario para obtener algunas respuestas y mejorar nuestra comprensión de una etapa por la que pasan la mayoría de las estrellas del Universo”.

 

Raghvendra Sahai señala, asimismo, que la incorporación de datos infrarrojos, ópticos y ultravioletas al estudio permitió obtener una imagen completa en longitudes de onda múltiples de lo que podría ser uno de los mayores espectáculos de la Vía Láctea, al menos para los astrónomos. “Cada vez que la observamos con nuevas capacidades de observación, V Hya resulta ser cada vez más como un circo, con una variedad cada vez más amplia e  impresionante de espectáculos. V Hydrae nos ha impresionado con sus múltiples anillos y actos, y como nuestro Sol podrían algún día correr la misma suerte, ha acaparado toda nuestra atención”.

 

Investigación

 

“The rapidly evolving AGB star, V Hya: ALMA finds a multi-ring circus with high velocity outflow” (‘V Hya, una estrella RAG en rápida evolución: ALMA descubre espectáculo con múltiples anillos y chorros en alta velocidad’), Sahai et al., (2022), The Astrophysical Journal, manuscrito: arXiv:2202.09335

 

Recursos

 

“Discovery of very high velocity outflow in V Hydra - Wind from an accretion disk in a binary?” (‘Hallazgo de chorro extremadamente veloz en V Hydrae: ¿viento de un disco de acreción en una binaria?’), Sahai, R. & Wannier, P. G. (1988), Astronomy & Astrophysics, ADS: 1988A&A...201L...9S

 

“V Hydrae: the missing link between spherical red giants and bipolar planetary nebulae? Radio observations of the molecular envelope” (‘V Hydrae: ¿eslabón perdido entre las gigantes rojas y las nebulosas planetarias bipolares? Observaciones del envoltorio molecular en ondas de radio’), Kahane et al. (1996), Astronomy & Astrophysics, ADS: 1996A&A...314..871K

 

“A collimated, high-speed outflow from the dying star V Hydrae” (‘Un chorro de alta velocidad colimado en la estrella moribunda V Hydrae’), Sahai et al. (2003), Nature, 426, 261, doi.org/10.1038/nature02086

 

“High-velocity bipolar outflow and disklike envelop in the carbon star V Hydrae” (‘Chorro bipolar de alta velocidad y envoltorio con forma de disco en la estrella de carbono V Hydrae’), Hirano et al. (2004), The Astrophysical Journal, doi: 10.1086/424382

 

“High-Speed Bullet Ejections during the AGB to Planetary Nebula Transition: HST Observations of the Carbon Star, V Hydrae” (‘Erupciones en alta velocidad durante transición de RAG a nebulosa planetaria: observaciones de la estrella de carbono V Hydrae con el HST’), Sahai, R., Scibelli, S., & Morris, M.R. (2016), The Astrophysical Journal, doi.org/10.3847/0004-637x/827/2/92

 

Información adicional

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

 

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