ALMA observa en tiempo real cómo se ensambla un sistema binario masivo

Utilizando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de astrónomas y astrónomos obtuvo una de las vistas tridimensionales más detalladas hasta ahora de un sistema estelar binario masivo mientras aún se formaba. Al seguir durante casi ocho años el movimiento de dos estrellas jóvenes y masivas, el equipo descubrió que ambas siguen órbitas muy alargadas y están rodeadas por discos de gas fuertemente inclinados, tanto entre sí como respecto a la órbita de las estrellas. Los hallazgos sugieren que las dos estrellas no se formaron juntas a partir de un único disco giratorio de material, como suele suponerse, sino que se formaron de manera independiente y luego se encontraron en un acercamiento gravitacional estrecho, lo que revela una nueva forma en que podrían formarse sistemas binarios masivos cercanos.

La mayoría de las estrellas masivas nacen con compañeras estelares y se estima que al menos el 90 % existe en sistemas binarios o múltiples. Estos sistemas binarios masivos terminan influyendo profundamente en su entorno, por ejemplo, mediante explosiones de supernova y la producción de elementos pesados. Pero, como la mayoría de los sistemas binarios masivos conocidos se estudian mucho después de haber terminado de formarse, la comunidad astronómica ha tenido pocas oportunidades de observar directamente el momento en que estos sistemas se ensamblan.

Un equipo internacional liderado por Yichen Zhang, de la Universidad Jiao Tong de Shanghái, se propuso cambiar eso estudiando IRAS 07299−1651, un sistema que alberga dos protoestrellas masivas, es decir, estrellas que aún están creciendo al atraer gas y polvo de su entorno. El equipo ya había estudiado este sistema en 2019, cuando observaciones de ALMA permitieron obtener las primeras restricciones dinámicas directas sobre la pareja. En ese momento, los resultados parecían, en términos generales, compatibles con el escenario estándar: dos estrellas formándose juntas a partir de la fragmentación de un gran disco. Pero había un detalle que no encajaba del todo: los discos alrededor de ambas estrellas ya parecían extrañamente desalineados.

Para profundizar en el estudio, el equipo dedicó casi ocho años a medir desplazamientos extremadamente sutiles en las posiciones de las dos estrellas en el cielo, una técnica que requiere una precisión excepcional y que está plenamente dentro de las capacidades de ALMA. “Por primera vez, pudimos observar cómo dos estrellas masivas se movían una alrededor de la otra mientras aún estaban naciendo”, señaló Yichen Zhang, autor de correspondencia del estudio.

El equipo combinó este monitoreo de largo plazo con ALMA con datos del Very Large Array (VLA) de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, además de imágenes infrarrojas obtenidas con el Telescopio Espacial James Webb (JWST) y el Very Large Telescope (VLT) de ESO, que permitieron rastrear chorros de material expulsados por las estrellas jóvenes. En conjunto, estas observaciones permitieron al equipo reconstruir, por primera vez, la arquitectura tridimensional completa del sistema: cómo orbitan las estrellas entre sí, cómo están inclinados sus discos y hacia dónde apuntan sus chorros en el espacio.

“Cada telescopio reveló una parte distinta del rompecabezas”, afirmó Rubén Fedriani, coautor del estudio. “La combinación de observaciones en radio e infrarrojo ofrece el mayor nivel de detalle hasta ahora sobre la formación de este sistema protobinario masivo”.

Lo que encontraron les sorprendió. En vez de una órbita ordenada y aproximadamente circular, las estrellas siguen una trayectoria muy excéntrica, y las soluciones orbitales preferidas se aproximan a una trayectoria parabólica. Además, en lugar de estar alineados, como cabría esperar si las estrellas se hubieran formado a partir del mismo disco, los discos que las rodean presentan una marcada inclinación entre sí y respecto a sus propias órbitas. “Fue como resolver un rompecabezas tridimensional”, explicó Yao Wang, autor principal del estudio. “Cada nueva observación agregaba una pieza hasta que, finalmente, la órbita, los discos y los chorros encajaron en una imagen única y coherente”.

Esta arquitectura desalineada y aparentemente caótica es difícil de explicar si ambas estrellas crecieron juntas en el mismo disco; en ese escenario, se esperaría que heredaran rotaciones similares y bien alineadas. En cambio, la evidencia apunta a una historia de formación distinta: las dos estrellas probablemente comenzaron a formarse por separado, en sus propias regiones de gas, antes de que un encuentro cercano y fortuito las llevara a su configuración actual, mientras aún estaban envueltas en la nube donde nacieron. En soluciones orbitales representativas, las estrellas pasaron por su máxima aproximación apenas unos 60 años antes de las observaciones, prácticamente un instante en la escala de tiempo cósmica. Los discos compactos que vemos hoy parecen haber sobrevivido al encuentro, manteniendo estructuras rotacionales bien definidas.

“Este estudio demuestra que las primeras etapas de la vida de las estrellas pueden ser bastante caóticas, con un encuentro fortuito que da lugar a esta danza gravitacional y al acoplamiento estelar”, señaló Jonathan C. Tan, coautor del estudio.

Aún no está claro si las dos estrellas permanecerán gravitacionalmente ligadas entre sí de manera definitiva: su movimiento actual se encuentra cerca de la frontera entre una órbita ligada y una trayectoria en la que eventualmente podrían separarse, y las interacciones con el gas circundante podrían inclinar su destino hacia uno u otro escenario. Las futuras observaciones ayudarán a precisar esta evolución.

En términos más amplios, el estudio abre una nueva vía para investigar cómo se forman las estrellas binarias masivas. Al aplicar este mismo enfoque de monitoreo a largo plazo a otros sistemas binarios masivos jóvenes, la comunidad astronómica espera determinar con qué frecuencia encuentros cercanos como este, en lugar de un nacimiento compartido dentro de un solo disco, dan origen a los sistemas binarios masivos que observamos en toda nuestra galaxia.

Información adicional

Los resultados de esta investigación aparecen en Nature Astronomy bajo el título «Un sistema protobinario masivo excéntrico formado mediante un encuentro parabólico de fusión de núcleos», de Y. Wang et al.

Este artículo se basa en el comunicado de prensa original del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), socio de ALMA en representación de Asia del Este.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (NSTC), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).  

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

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