ALMA desentraña la naturaleza elíptica

 de las órbitas de un sistema binario

La figura muestra la imagen del gas molecular alrededor de LL Pegasi. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Hyosun Kim et al.

Un equipo internacional de astrónomos encabezado por Hyosun Kim, del Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica (ASIAA, Taiwán), encontró una manera de determinar la forma de la órbita de unas estrellas binarias que presentan períodos orbitales demasiado largos para ser medida directamente. Esto fue posible gracias a una observación de la antigua estrella LL Pegasi realizada con el avanzado telescopio Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

“Es muy emocionante ver una estructura en espiral tan bonita en el cielo. Nuestras observaciones revelaron que esta concha en espiral tiene una geometría tridimensional de una extraordinaria regularidad, y hemos desarrollado una teoría muy verosímil para explicar sus pormenores”, afirma Hyosun Kim.

Las nuevas imágenes de ALMA muestran en detalle las características de la concha en espiral impresa en el gas expulsado continuamente por LL Pegasi. Al comparar estas observaciones con simulaciones informáticas los astrónomos pudieron, por primera vez, concluir que esta morfología del gas es provocada por un sistema binario con una órbita sumamente elíptica. En concreto, la bifurcación de la concha en espiral claramente visible en las imágenes de ALMA es una característica única de los sistemas binarios elípticos. Este objeto típico aporta nueva información sobre la naturaleza de las estrellas centrales binarias a través de patrones recurrentes ubicados lejos de la estrella, a distancias de algunos miles de radios estelares.

Al comparar la distribución del gas molecular alrededor de LL Pegasi representada con exquisito detalle por ALMA con simulaciones teóricas, el equipo concluyó que la bifurcación del patrón en espiral de concha (indicado con un recuadro blanco) es el resultado de un sistema binario altamente elíptico. Crédito: 

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Hyosun Kim et al.

“La increíble sensibilidad y capacidad de ALMA para obtener imágenes tan precisas de espirales complejas como esta fue fundamental para este estudio. Quedamos encantados de ver las nítidas imágenes traducidas en resultados tan completos y la utilidad que tendrán en el estudio de sistemas binarios”, celebra Alfonso Trejo (ASIAA, Taiwán), coautor del estudio.

Las estrellas binarias en avanzada etapa de evolución con órbitas elípticas pueden ser ubicuas durante un largo período. Muchas nebulosas planetarias –estrellas que se encuentran en la etapa siguiente de evolución estelar– tienen estructuras casi elípticas en la parte externa y estructuras muy asimétricas en la parte interna. Las formas casi esféricas incluyen las que tienen aspecto de espiral, concha y arco, mientras que las no esféricas son bipolares o multipolares. La coexistencia de estructuras con geometrías tan distintas es enigmática porque delata la existencia simultánea de interacciones binarias amplias y cercanas al mismo tiempo.

Este fenómeno se ha atribuido a las estrellas binarias con órbitas elípticas. De la investigación actual se desprende que los parámetros orbitales de las binarias centrales pueden ser determinados mediante un análisis detallado de los patrones externos recurrentes, que proporcionan indicios sobre la transición de estructuras cuasiesféricas a asimétricas.

Imagen tomada por el telescopio Hubble de LL Pegasi publicada en 2010 (izquierda) e imagen tomada por ALMA (derecha). Crédito: ESA/NASA & R. Sahai. ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Hyosun Kim et al.

LL Pegasi es una estrella gigante al menos 200 veces más grande que el Sol y que pierde masa. En cuanto a las etapas de evolución estelar, actualmente se encuentra en la rama asintótica gigante, que nuestro Sol alcanzará dentro de algunos miles de millones de años. Esta estrella fue detectada hace unos 10 años gracias a la imagen de una espiral casi perfecta obtenida por el telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA. Antes de este hallazgo, nunca se había observado una espiral alrededor de una estrella antigua.

“Este sistema particularmente regular ayuda a entender cómo las órbitas de estos sistemas evolucionan en el tiempo, puesto que cada vuelta de la espiral describe una órbita diferente en un plazo diferente”, afirma Mark Morris (UCLA, EE.UU.), coautor del estudio.

La sorprendente regularidad de este patrón lo llevó a ser considerado un sistema binario en una órbita circular. Y ahora es igualmente sorprendente que esta espiral completa, que ha sido mejor observada y no presenta ambigüedades, sea influenciada por un sistema binario de órbita elíptica.

“Mientras la imagen del telescopio Hubble muestra la hermosa estructura en espiral, es una proyección bidimensional de una forma tridimensional, que ahora fue totalmente revelada por los datos de ALMA”, señala Raghvendra Sahai (JPL, EE.UU.), coautor del estudio. Las nuevas imágenes de ALMA revelan información espacio-cinemática del denso gas molecular presente en la concha en espiral y muestra la dinámica de la pérdida de masa en la estrella gigante modulada por su movimiento orbital.

Cada cuadro de la animación muestra el gas molecular alrededor de LL Pegasi en una velocidad en la línea de visión diferente. Esta velocidad, de 1 km/s por cuadro, se proporciona en la esquina superior derecha. El tamaño del campo equivale a 20.000 veces la distancia entre el Sol y la Tierra. Créditos: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/Hyosun Kim et al.

“Según el intervalo de los anillos de la espiral, el período orbital de LL Pegasi es de unos 800 años, con lo cual el movimiento binario es prácticamente imposible de detectar incluso con observaciones continuas durante varias generaciones sucesivas. Descifrar el patrón de la espiral es una forma inteligente de conocer la historia del movimiento orbital”, agrega Sheng-Yuan Liu (ASIAA, Taiwán), coautor del estudio.

“Al mostrarnos esta asombrosa estructura de concha en espiral, la naturaleza nos ha dejado mensajes claros. El desafío que enfrentan los astrónomos es descifrar esos mensajes para determinar las dinámicas de las estrellas centrales”, observa Hyosun Kim.

El artículo “The large-scale nebular pattern of a superwind binary in an eccentric orbit” fue publicado en línea el 1 de marzo de 2017 por Nature Astronomy.

Fuente: ALMA