La estrella central de la nebulosa planetaria NGC 2440, HD62166, es posiblemente la estrella enana blanca más caliente que se haya descubierto hasta ahora. Las enanas blancas exhiben desconcertantes fenómenos cuánticos: a medida que ganan masa, se encogen de tamaño. Crédito: NASA / JPL / STScI / AURA
Un equipo dirigido por estudiantes investiga la relación masa-radio de enano blanco estrellas, observando en sus datos evidencia de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein.
En el corazón de cada estrella enana blanca, el objeto estelar denso que permanece después de que una estrella ha consumido su reserva de combustible de gases cuando se acerca al final de su ciclo de vida, se encuentra un enigma cuántico: a medida que las enanas blancas agregan masa, se encogen en tamaño, hasta que se vuelven tan pequeños y tan compactados que no pueden sostenerse, colapsando en un estrella neutrón.
Esta desconcertante relación entre la masa y el tamaño de una enana blanca, llamada relación masa-radio, fue teorizada por primera vez por el astrofísico ganador del Premio Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar en la década de 1930. Ahora, un equipo de astrofísicos de Johns Hopkins ha desarrollado un método para observar el fenómeno en sí utilizando datos astronómicos recopilados por el Sloan Digital Sky Survey y un conjunto de datos reciente publicado por el Observatorio Espacial Gaia. Los conjuntos de datos combinados proporcionaron más de 3.000 enanas blancas para que el equipo las estudiara.
Un informe de sus hallazgos, dirigido por Vedant Chandra senior de Hopkins, ahora se publica en El diario astrofísico.
“La relación masa-radio es una combinación espectacular de mecánica cuántica y gravedad, pero es contradictorio para nosotros; creemos que a medida que un objeto gana masa, debería crecer”, dice Nadia Zakamska, profesora asociada del Departamento de Física Astronomía que supervisó a los estudiantes investigadores. “La teoría ha existido durante mucho tiempo, pero lo que es notable es que el conjunto de datos que usamos es de un tamaño sin precedentes y sin precedentes exactitud. Estos métodos de medición, que en algunos casos se desarrollaron hace años, de repente funcionan mucho mejor y estas viejas teorías finalmente pueden ser probadas “.
“La forma en que se lo ensalcé a mi abuelo es que básicamente estás viendo cómo la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein se unen para producir este resultado. Estaba muy emocionado cuando lo expuse de esa manera “. – Vedant Chandra, estudiante de pregrado de Johns Hopkins
El equipo obtuvo sus resultados utilizando una combinación de mediciones, incluido principalmente el efecto de desplazamiento al rojo gravitacional, que es el cambio de longitudes de onda de la luz de azul a rojo a medida que la luz se aleja de un objeto. Es un resultado directo de la teoría de la relatividad general de Einstein.
“Para mí, la belleza de este trabajo es que todos aprendemos estas teorías sobre cómo la luz se verá afectada por la gravedad en la escuela y en los libros de texto, pero ahora vemos esa relación en las estrellas mismas”, dice el estudiante graduado de quinto año Hsiang. -Chih Hwang, quien propuso el estudio y reconoció por primera vez el efecto de desplazamiento al rojo gravitacional en los datos.
El equipo también tuvo que tener en cuenta cómo el movimiento de una estrella a través del espacio podría afectar la percepción de su desplazamiento al rojo gravitacional. De manera similar a cómo la sirena de un camión de bomberos cambia de tono según su movimiento en relación con la persona que escucha, las frecuencias de luz también cambian dependiendo del movimiento del objeto emisor de luz en relación con el observador. Esto se llama efecto Doppler, y es esencialmente un “ruido” que distrae y complica la medición del efecto de desplazamiento al rojo gravitacional, dice el colaborador del estudio Sihao Cheng, un estudiante graduado de cuarto año.
Para tener en cuenta las variaciones causadas por el efecto Doppler, el equipo clasificó a las enanas blancas en su conjunto de muestras por radio. Luego promediaron los corrimientos al rojo de estrellas de un tamaño similar, determinando efectivamente que no importa dónde se encuentre una estrella o dónde se mueva en relación con la Tierra, se puede esperar que tenga un corrimiento al rojo gravitacional intrínseco de cierto valor. Piense en ello como una medida promedio de todos los pasos de todos los camiones de bomberos que se mueven en un área determinada en un momento dado; puede esperar que cualquier camión de bomberos, sin importar en qué dirección se mueva, tendrá un paso intrínseco de ese promedio valor.
Estos valores intrínsecos de desplazamiento al rojo gravitacional se pueden utilizar para estudiar estrellas que se observan en conjuntos de datos futuros. Los investigadores dicen que los próximos conjuntos de datos que son más grandes y más precisos permitirán un mayor ajuste de sus mediciones, y que estos datos pueden contribuir al análisis futuro de la composición química de la enana blanca.
También dicen que su estudio representa un avance emocionante desde la teoría hasta los fenómenos observados.
“Debido a que la estrella se hace más pequeña a medida que se vuelve más masiva, el efecto de desplazamiento al rojo gravitacional también aumenta con la masa”, dice Zakamska. “Y esto es un poco más fácil de comprender: es más fácil salir de un objeto menos denso y más grande que salir de un objeto más masivo y compacto. Y eso es exactamente lo que vimos en los datos “.
El equipo incluso está encontrando audiencias cautivas para su investigación en casa, donde han realizado su trabajo en medio de la pandemia de coronavirus.
“La forma en que se lo ensalcé a mi abuelo es que básicamente estás viendo cómo la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein se unen para producir este resultado”, dice Chandra. “Estaba muy emocionado cuando lo expresé de esa manera”.
Referencia: “Una medición gravitacional de desplazamiento al rojo de la relación masa-radio de la enana blanca” por Vedant Chandra, Hsiang-Chih Hwang, Nadia L. Zakamska y Sihao Cheng, 25 de agosto de 2020, Diario astrofísico.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / aba8a2
arXiv: 2007.14517
