Hem resolt el misteri de les estrelles hiper-ràpides?

Les estrelles hiper-ràpides es mouen de mitjana 10 vegades més ràpid que les altres estrelles de la Via Làctia. L’estudi d’una d’ellas, anomenada S5-HVS1, confirma en el seu cas la teoria proposada per explicar aquests astres atípics.

Els arqueòlegs galàctics estan intentant reconstruir la història de la Via Làctia, en primer lloc perquè és la nostra Galàxia, on van néixer les estrelles en l’origen dels elements químics que formen el Sistema Solar, el Sol i la Terra però també probablement perquè ens pot parlar dels mecanismes d’evolució d’altres galàxies.

Els astrònoms estudien els corrents gravitacionals de les estrelles, és a dir, els filaments dels estels arrencats per la gravetat de la Via Làctia de les galàxies nanes que passaven massa a prop. Existeix també una campanya d’observació de l’Hemisferi Sud anomenada Southern Stellar Stream Spectroscopic Survey (Estudi espectroscòpic del corrent Estel·lar del Sud i abreujada com a S5). Aquesta ha fet fa poc un descobriment molt interessant, en relació amb les observacions fetes amb el Rolls-Royce de les missions d’astrometria: Gaia.

Tal com expliquen els investigadors en un article d’accés públic publicat a Monthly Notices de la Royal Astronomical Society, es tracta del descobriment d’una estrella d’hiper-velocitat, amb una velocitat de 6 milions de quilòmetres per hora, que supera la velocitat d’alliberament de la Via Làctia i que farà que abandoni la nostra galàxia. Anomenada S5-HVS1, es va descobrir a la constel·lació de la Grua mitjançant el Telescopi Anglo-Australià.

Una animació que mostra el principi del mecanisme Hills probablement en l'origen de
les estrelles hiper-ràpides. © James Josephides (Swinburne Astronomy Productions)

Estrelles catapultades per les forces gravitacionals d’un forat negre

Es coneixen aproximadament una vintena d’aquestes estrelles amb una velocitat de l’ordre de 1.000 km/s a ​​la Via Làctia (per refrescar la memòria; les estrelles de la nostra galàxia es mouen generalment a velocitats 10 vegades inferiors). S’han observat des del 2005 però la seva existència va ser prevista teòricament el 1988 per l’astrònom Jack G. Hills, conegut pel seu treball sobre dinàmiques estel·lars. Per explicar les velocitats atípiques d’aquestes estrelles, de fet descobertes posteriorment, l’investigador havia implicat sistemes binaris passats massa a prop de forats negres supermassius al cor de les grans galàxies.

Però fins al moment no s’havia obtingut cap indici realment sòlid de la teoria del que s’anomena mecanisme Hills, tot i que ja hi havia algunes observacions en aquest sentit. Tanmateix, S5-HVS1 passa relativament a prop del Sol a l’escala de la Via Làctia, més precisament a una distància d’uns 29.000 anys llum. Els investigadors van tenir, per tant, mesures prou bones per permetre que reconstruïssin una trajectòria passada, que condueix precisament a les afores del Sgr A*, el forat negre supermassiu de la nostra galàxia.

Els càlculs mostren que fa uns 4,8 milions d’anys, abans que aparegués l'australopitec, una estrella binària va passar massa a prop del nostre forat negre galàctic. Les forces gravitacionals van separar llavors les dues estrelles i una va ser projectada cap al medi intergalàctic, a una velocitat de l'ordre de 1.800 quilòmetres per segon inicialment, un mitjà al qual s'unirà en un futur molt proper a l'escala de temps característica d’una galàxia.

Ara hi ha, per tant, motius addicionals per creure que totes les estrelles d’hiper-velocitat de la Via Làctia troben el seu origen en el mecanisme Hills.

HE 0437-5439, l'estrella hiper-ràpida que fuig de la nostra galàxia

A prop de tres milions de quilòmetres per hora, propulsada per un efecte gravitatori, es precipita cap a l'espai intergalàctic: HE 0437-5439 és una estrella hiper-ràpida. Aquest tipus de bòlid és molt rar. N'hi han comptades 16 fins ara. El Telescopi Espacial Hubble en segueix el seu curs.

El 2005 es va descobrir la primera estrella hiper-ràpida, HE 0437-5439. Aquest descobriment el va fer Warren Brown, del Centre d’Astrofísica Harvard-Smithsonian, quan utilitzava un dels quatre telescopis de la xarxa VLT (Very Large Telescope). Des de llavors, aquest astrònom ha trobat 14 de les 16 estrelles amb hiper-velocitat conegudes fins avui en dia.

Desplaçant-se a 722 quilòmetres per segon (2,6 milions de quilòmetres per hora), HE 0437-5439 es desplaça el doble de velocitat que la velocitat necessària per alliberar-se de l’atracció gravitatòria de la nostra galàxia i tres vegades més ràpida que el Sol. Per Warren Brown, "en circumstàncies normals les estrelles no es mouen tan ràpid. Es necessita un esdeveniment excepcional per poder fer-ho". 

Ja se sabia que una supernova podria donar llum una estrella hiper-ràpida: l'expulsió de les capes exteriors de l'estrella moribunda a diversos milions de quilòmetres per hora pot no ser simètrica i provocar un efecte de reacció que propulsi l' estrella de neutrons en sentit contrari. Una situació observada a RX J0822-4300. Però per a HE 0437-5439, que ja es troba a 200.000 anys llum del centre del nostre disc galàctic, a les seves afores, Brown i el seu equip han trobat un altre accelerador.

Clic per engrandir. L’estrella hiper-ràpida HE 0437-5439 fotografiada pel Telescopi
Espacial Hubble. Crèdit: NASA/ESA/O. Gnedin/W. Brown

Un forat negre com una fona còsmica

Gràcies a les observacions dutes a terme amb el Telescopi Espacial Hubble, Brown i el seu equip van poder mesurar el moviment de l'estrella i tornar al seu punt de partida: el forat negre al centre de la nostra galàxia! Després van idear un escenari per explicar què podria haver passat: Fa cent milions d’anys, HE 0437-5439 formava un trio d’estrelles al cor de la nostra galàxia: dues en òrbita propera i una altra més lluny. Aquest última va ser absorbida quan s’acostava al forat negre central mentre un efecte gravitatori de fona impulsà les altres dues estrelles a gran velocitat. Mentre fugia del centre galàctic, la parella estel·lar continuà la seva evolució: l’estrella més massiva, convertida en geganta vermella, va acabar absorbint la seva veïna per donar com a resultat la geganta blava que actualment observem; HE 0437-5439.

Aquest escenari, que explica la posició i la velocitat actual de la estrella hiper-ràpida, també té el mèrit de resoldre un altre trencaclosques. La hipòtesi de la fusió d’una estrella binària que permet explicar la naturalesa de l’estrella observada actualment (HE 0437-5439 és un gegant blau l’esperança de vida inferior a 20 milions d’anys) i la seva edat real, almenys 100 milions d’anys. Al 2008, un altre equip d’investigadors (A. Bonanos/M. Lopez-Morales del Carnegie i els seus col·laboradors) havien imaginat un altre escenari: segons ells, HE 0437-5439 havia estat expulsat del gran núvol de Magallaes, molt més aprop d’on les abundàncies relatives de certs elements químics són comparables a la composició de l’estel hiper-ràpid.

Brown i el seu equip ara utilitzaran el Telescopi Espacial Hubble per intentar mesurar la velocitat d’altres quatre estrelles d’hiper-velocitat per deduir-ne l’origen.

Clic per engrandir. Aquesta imatge artística representa les diferents etapes de l’escenari
desenvolupat per Warren Brown i el seu equip per explicar l’evolució de l’estel
hiper-ràpid HE 0437-5439. © Nasa/ESA/A. Feild (STScI).

Descripció del gràfic:

1 Un sistema de tres estrelles es mou aprop del forat negre en el centre de la Via Làctia.

2 Una estrella cau cap al forat negre, el par binari retrocedeix i es expulsat.

3 El sistema binari deixa la galàxia

4 El binari es fusiona per a formar una esmunyedissa blava

5 L'esmunyedissa blava s'allunya de la galàxia

Ho he vist aquí