Primera detección de la fusión de dos estrellas que crearán una supernova

El equipo internacional de astrónomos liderado por Miguel Santander-García (del Observatorio Astronómico Nacional-IGN y el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid-CSIC) ha descubierto una pareja de estrellas enanas blancas –restos estelares muy pequeños y extremadamente densos– muy cercanas la una a la otra y con una masa total de aproximadamente 1,8 veces la masa del Sol. El escenario, el centro de la nebulosa planetaria Henize 2-428.

Se trata de la pareja más masiva de este tipo encontrada hasta ahora, que tras expulsar su corteza estelar en forma de nube de gas, acabarán fusionándose dentro de unos 700 millones de años, creando una explosión termonuclear descontrolada que originará una supernova de tipo Ia. Estas se produce cuando una enana blanca adquiere masa adicional por acreción de una compañera o por su fusión con ella, hasta superar un límite –llamado de Chandrasekhar– a partir del que empiezan a contraerse y, por una reacción nuclear descontrolada, explotan.

El descubrimiento, que publica este lunes la revista Nature, confirma la posibilidad de formación de supernovas de tipo Ia a partir de la fusión de dos estrellas moribundas, hasta ahora una vía sólo contemplada en modelos teóricos. Este tipo de supernovas, además de ser uno de los eventos explosivos más energéticos, actúan como “medidores de distancias” y han sido una piedra angular en el descubrimiento de la expansión acelerada del universo.

Las estrellas como nuestro Sol o unas pocas veces más masivas acaban sus días como nebulosas planetarias, expulsando al medio interestelar su propia corteza, una espectacular nube de gas que el núcleo inerte de la estrella ilumina durante varios miles de años. Este núcleo, que pasa a llamarse enana blanca, carece de reacciones nucleares y lo único que impide que la estrella colapse bajo su enorme gravedad es la presión que ejercen sus electrones, ahora arrancados de los átomos de los que formaban parte.

Sin embargo, es la nebulosa, una espectacular nube de gas de un año-luz de tamaño y dotada de un anillo central y dos lóbulos a la manera de un diábolo o reloj de arena, la que inicialmente atrajo la atención de los investigadores. "Buscábamos responder a la cuestión, aún a debate, de cómo se forma una nebulosa bipolar a partir de una estrella que esencialmente es esférica", afirma Santander.

Según una hipótesis cada vez más popular, la presencia de una estrella compañera aportaría suficiente momento angular como para que la envoltura estelar fuera expulsada favoreciendo unas direcciones sobre otras y dando lugar a una nebulosa con un alto grado de simetría. El estudio de la variación periódica de la intensidad luminosa proveniente del núcleo de Henize 2-428 confirmó esta hipótesis revelando que el objeto central, en realidad, está formado por dos estrellas girando la una en torno a la otra a una velocidad tal que completan una órbita cada poco más de 4 horas.

Otra ilustración de la nebulosa planetaria Henize 2-428 con las dos estrellas. / Gabriel Pérez-SMM (IAC)

Están lo suficientemente cerca la una de la otra como para que, según la teoría de Einstein de la relatividad general, vayan acercándose cada vez más, creciendo en espiral debido a la emisión de ondas gravitacionales, antes de acabar fusionándose en una sola estrella en unos 700 millones de años.

Distrorsión por el tirón gravitatorio de la compañera

Pero las variaciones luminosas escondían una sorpresa. "La forma de la curva de luz sugería que ambas estrellas (y no solo una de ellas, como es habitual en estos casos) se encuentran distorsionadas por el tirón gravitatorio de la compañera", afirma Pablo Rodríguez Gil, investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y la Universidad de La Laguna y segundo autor del estudio. Además, los espectros "indicaban que la estrella compañera sería una versión casi gemela de la principal".

El paso siguiente fue determinar las velocidades orbitales de ambas estrellas. Para medirlas de forma fiable, los investigadores tuvieron que recurrir a un telescopio de gran tamaño como el Gran Telescopio CANARIAS (GTC), en el Observatorio del Roque de los Muchachos, en La Palma. También se utilizaron las instalaciones del Observatorio Europeo Austral (ESO) en Chile.

"Los datos de GTC, junto con los de la curva de luz, nos permitieron determinar las masas de ambas estrellas y su separación. Y aquí es donde vino la gran sorpresa", dice Romano Corradi, investigador del IAC y otro de los autores.

Cada una de las estrellas tiene casi la masa del Sol y están lo suficientemente cerca la una de la otra como para que, de acuerdo con la teoría de la relatividad general, se aproximen en espiral debido a la emisión de ondas gravitatorias y se fundan en una sola dentro de 700 millones de años.

La estrella resultante será tan masiva que ni siquiera la presión de degeneración de sus electrones será suficiente para detener el colapso y la subsiguiente explosión como supernova. "Hasta ahora, la formación de supernovas de tipo Ia mediante la fusión de dos enanas blancas era algo exclusivo de la teoría", explica David Jones, también investigador del IAC y coautor del artículo.

"Se trata de un sistema muy enigmático", concluye Santander, "que tendrá repercusiones en el estudio de las supernovas de tipo Ia, ampliamente utilizadas para medir distancias y gracias a las cuales se descubrió que el universo se expande cada vez más rápido, debido a algo que hemos dado en llamar energía oscura".