Los astrónomos que utilizan el Telescopio Espacial Hubble de la NASA han medido por primera vez directamente la masa de una sola enana blanca aislada: el núcleo sobreviviente de una estrella similar al Sol que ha sido quemado.

Los investigadores descubrieron que la enana blanca tiene el 56 por ciento de la masa de nuestro Sol. Esto concuerda con las predicciones teóricas anteriores de la masa de la enana blanca y corrobora las teorías actuales de cómo evolucionan las enanas blancas como el 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 blanca 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 del enano.

Gráfico que muestra cómo se utilizó la microlente para medir la masa de una estrella enana blanca. Credits: NASA, ESA, Peter McGill (UC Santa Cruz, IoA), Kailash Sahu (STScI); Image Processing: Joseph DePasquale (STScI) ; 

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.

Como se aprecia en la imagen superior, la enana, llamada LAWD 37, es una estrella quemada en el centro de esta imagen del Telescopio Espacial Hubble. Aunque su horno de fusión nuclear se ha apagado, el calor atrapado está chisporroteando en la superficie a 180.000 grados Fahrenheit, causando que el remanente estelar brille ferozmente. El cuadro de inserción traza cómo la enana pasó frente a una estrella de fondo en 2019. La ondulada línea azul traza el movimiento aparente de la enana a través del cielo visto desde la Tierra. Aunque la enana está siguiendo una trayectoria recta, el movimiento de la Tierra orbitando alrededor del Sol imparte un aparente desplazamiento sinusoidal debido al paralaje. (La estrella está a sólo 15 años luz de distancia. Por lo tanto, se está moviendo a un ritmo más rápido contra el fondo estelar). A medida que pasaba por la estrella de fondo más débil, el campo gravitacional de la enana deformó el espacio (como predijo la teoría de la relatividad general de Einstein hace un siglo). Y esta desviación fue medida precisamente 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 enana blanca aislada, gracias a un truco de la naturaleza del «espejo de la casa de diversión» o espejos deformantes.

Los resultados se publicaron en los Avisos Mensuales de la Royal Astronomical Society. El autor principal es Peter McGill, anteriormente de la Universidad de Cambridge (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.

Kailash Sahu del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland, el principal investigador 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 un sistema binario muy separado.

Los restos colapsados de una estrella que se apagó hace mil millones de años, LAWD 37 han sido ampliamente estudiados porque está a solo 15 años luz de distancia en la constelación 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 poder medir su masa», dijo McGill.

El equipo se concentró en la enana blanca gracias al observatorio espacial Gaia de la ESA, que realiza mediciones extraordinariamente precisas de casi 2 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, se utilizó el Hubble 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».

Reto astronómico

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.

«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. 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 el Telescopio Espacial James Webb de la NASA. 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 de la relatividad general 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.

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 se mostró pesimista en cuanto a que el efecto podría detectarse alguna vez para estrellas fuera de nuestro sistema solar debido a la precisión involucrada. «Nuestra medida es 625 veces más pequeña que el efecto medido en el eclipse solar de 1919», dijo McGill.