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Proyectos de investigación astrofísica

Física de las Estrellas, Sistemas Planetarios y Medio Interestelar

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Estrellas Binarias (P/308807)

PABLO RODRÍGUEZ GIL

Carlos Lázaro Hernando, Vikram Dhillon, Montserrat Armas Padilla, Manuel Pérez Torres, Ignacio González Martínez-País, María Jesús Arévalo Morales, Tariq Shahbaz, Paula Izquierdo Sánchez, Jorge Casares Velázquez, Teodoro Muñoz Darias 

R. Iglesias Marzoa (ULL); M. López Morales (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, EEUU); P. Abraham (Konkoly, Hungría; D. Steeghs, B.T Gänsicke, T.R. Marsh, E. Breedt (Univ. Warwick, RU); L. Schmidtobreick, J. M. Corral-Santana (ESO, Chile); S. B. Potter (SAAO, Suráfrica); W. Skidmore (Thirty Meter Telescope, Caltech, EEUU); P. Hakala, A. Somero (Univ. Helsinki, Finlandia); C. Tappert (Univ. Católica de Chile); K. Long (Space Telescope Science Institute, EEUU); V. Rana (Caltech, EEUU); M. Hernanz, G. Sala, a. Rebassa-Mansergas (Institut d'Etudis Espaciales de Cataluña); A. Schwope (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Alemania), A. Nebot Gómez-Morán (Observatoire Astronomique de Strasbourg, Francia), J.R. Thorstensen (Dartmouth College, EEUU)

Introducción 

El estudio de las estrellas binarias es una parte esencial de la astrofísica estelar. Se cree que una gran parte de las estrellas de la Galaxia se ha formado en sistemas binarios o múltiples, por lo que entender la estructura y evolución de estos sistemas es importante desde el punto de vista estelar y galáctico. En muchos casos, cuando los periodos orbitales son cortos y la separación entre componentes comparable al radio de las estrellas, la evolución es influida por su interacción mutua, dando lugar a procesos físicos y recorridos evolutivos muy distintos que los que se observan en estrellas aisladas. Especialmente relevante es el efecto de transferencia de masa entre las estrellas, como se produce en las binarias de tipo Algol y en las variables cataclísmicas, algunos tipos de sistemas estudiados en este proyecto. Un aspecto donde las binarias juegan un papel fundamental es en la determinación de parámetros estelares absolutos, siendo la única fuente de valores precisos para los radios y las masas estelares.

Actualmente se siguen varias líneas de trabajo:

- La determinación de parámetros absolutos en binarias eclipsantes de tipo Algol, en base a curvas de luz en el visible y en el rango infrarrojo, complementadas con medidas en el sistema fotométrico Strömgren y observaciones espectroscópicas. Este tipo de binarias son también de gran interés para el estudio de los efectos de irradiación externa sobre las atmósferas estelares.

Desde 2006 el grupo trabaja en la obtención de curvas de luz en visible e infrarrojo de binarias separadas, formadas por estrellas de muy poca masa (enanas de tipo M), complementadas con observaciones espectroscópicas para la obtención de sus curvas de velocidad radial. La finalidad es determinar con mayor precisión los parámetros absolutos estelares en el rango de la secuencia principal poco masiva, mal conocidos, y poner a prueba los modelos de atmósferas estelares para estrellas M más modernos. A la vez se obtiene información sobre fenómenos de actividad estelar, debido a las modulaciones fotométricas y otras variaciones en las curvas de luz observadas, producidas por grandes grupos de manchas oscuras superficiales, siempre presentes en estas estrellas frías.

- El estudio fotométrico, espectroscópico y polarimétrico de sistemas con periodo orbital corto, clasificados como variables cataclísmicas, dirigido a entender las estructuras de acreción que se forman a consecuencia de la transferencia de masa, así como su evolución. Entre los objetivos se pretende corroborar o desmentir las predicciones que hace la teoría estándar de evolución de estos sistemas binarios, llevando a cabo estudios de poblaciones tanto en la región cercana al mínimo periodo orbital observado (~ 80 min), como en la frontera superior del "hueco de periodos", el intervalo de periodos orbitales comprendido entre 3 y 4.5 horas. Cerca del periodo mínimo (~65 min según la teoría) se predice una concentración de más del 90 por ciento de la población total de cataclísmicas, que nunca había sido encontrada observacionalmente. Para probar o descartar esta afirmación, se siguen midiendo los periodos orbitales de toda la muestra de nuevas variables cataclísmicas del Sloan Digital Survey, en un ingente esfuerzo observacional.

Por otra parte, nuestro grupo de investigación ha demostrado que existe una gran densidad de sistemas intrínsecamente muy luminosos (con tasas de transferencia de materia muy altas) en el rango de periodos orbitales comprendidos entre 3 y 4.5 horas, que se conocen como sistemas SW Sextantis.

En un periodo orbital de 3 horas la teoría predice el cese del transporte de masa, lo cual parece contradecirse con la existencia de cataclísmicas con los mayores ritmos de transferencia de masa justo en la frontera superior de 3 horas. Se están realizando medidas de las masas de los sistemas SW Sextantis durante los estados de cese temporal de la acreción, cuando la desaparición del disco permite la observación de ambas componentes estelares. Este último proyecto cuenta con una amplia colaboración internacional, y requiere observaciones en modo "Target of Opportunity" con telescopios de clase 8-m, como el VLT y Gemini, así como el GTC de 10.4 m.

Durante los últimos años se ha abierto otra línea de investigación: el estudio de estrellas binarias progenitoras de nebulosas planetarias. Uno de los posibles efectos que podrían esculpir una nebulosa planetaria bipolar es la órbita de una estrella binaria central, que contiene al menos una enana blanca. Por tanto, se busca una correlación significativa bipolaridad-binariedad a partir del estudio de las estrellas centrales de nebulosas planetarias bipolares. Se estudiará también una muestra de control de nebulosas planetarias esféricas. La historia de los episodios de eyección de masa dará pistas acerca de la fase de envoltura común, aún poco entendida.

Con el comienzo de la tesis de Paula Izquierdo Sánchez (FPI) a mediados de 2017, se ha abierto otra línea de investigación en el campo de las enanas blancas: el estudio de remanentes post-planetarios alrededor de enanas blancas, que puede beneficiarse de la experiencia de los estudios de discos de acreción en las variables cataclísmicas.

Hitos 

1) Con un periodo de recurrencia medido de 351 +/- 13 días y una enana blanca muy cercana al límite de Chandrasekhar, M31N 2008-12a se ha convertido en uno de los principales candidatos a progenitor de una supernova de tipo Ia. Se ha llevado a cabo una campaña internacional para la detección temprana de la erupción prevista para 2017, lo que puso en marcha programas de seguimiento en telescopios terrestres y espaciales, incluyendo fotometría desde el visible al infrarrojo cercano y espectroscopia visible, y observaciones en el ultravioleta y en rayos X desde el observatorio Swift. La explosión de 2017 tuvo lugar el 31 de diciembre. Se realizaron observaciones espectroscópicas y fotométricas tempranas, incluyendo observaciones ToO en GTC lideradas por nuestro grupo.

2) Usando datos de la campaña #10 de la misión Kepler extendida se han identificado dos sistemas binarios eclipsantes que contienen enanas blancas con estrellas compañeras muy frías y periodos orbitales extremadamente cortos de solo 71.2 minutos (SDSS J1205-0242) y 72.5 minutos (SDSS J1231+0041). A pesar de sus cortos periodos orbitales ambos sistemas binarios son separados y contienen estrellas compañeras pequeñas y de poca masa, en un caso una enana marrón y en el otro caso una enana marrón o una estrella de pequeña masa. Se han realizado estimaciones preliminares de los parámetros físicos de los sistemas: SDSS J1205-0242 está compuesto por una enana blanca con núcleo de helio de 0.39 ± 0.02 M⊙, que sufre eclipses totales por una compañera enana marrón de 0.049 ± 0.006 M⊙(51 ± 6 MJ), mientras que SDSS J1231+0041 está compuesta por una enana blanca de masa 0.56 ± 0.07 M⊙ que experimenta eclipses parciales a causa de una compañera de masa ≲ 0.095 M⊙.

3) El mecanismo que produce el aumento del flujo y la contracción los tiempos característicos de variabilidad de los blázares es una cuestión que aún se debate. Los mecanismos propuestos incluyen la inyección, la aceleración y el enfriamiento de partículas, con la posible intervención de ondas de choque o turbulencia. Se han publicado en Nature los resultados de la monitorización multifrecuencia del blázar CTA 102. En él se muestra que la evolución a largo plazo del flujo y la variabilidad espectral se explican por un chorro curvado no homogéneo que experimenta cambios en su orientación a lo largo del tiempo, alterando los factores Doppler en diferentes regiones del chorro. En particular, la extrema erupción detectada en 2016-2017 (aumento de brillo de 6 mag en el visible) se produjo cuando la región emisora ​​correspondiente presentaba un ángulo con la línea de visión pequeño. El acuerdo entre las observaciones y las predicciones teóricas dan mayor validación a la teoría de beaming relativista.

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