¿Qué pequeñas partículas de polvo de estrellas de carburo de silicio, encontrado en meteoritos y más antiguo que el sistema solar, tienen en común con pares de estrellas envejecidas propensas a erupciones?

Una colaboración entre dos científicos de la Universidad Estatal de Arizona:el cosmoquímico Maitrayee Bose y el astrofísico Sumner Starrfield, tanto de la Escuela de Exploración de la Tierra como del Espacio, ha descubierto la conexión y ha identificado el tipo de explosión estelar que produjo los granos de polvo de estrellas.

Su estudio acaba de ser publicado en el Diario astrofísico .

Los granos microscópicos de carburo de silicio, mil veces más pequeños que el ancho promedio de un cabello humano, fueron parte de los materiales de construcción que construyeron el sol y el sistema planetario. Nacido en arrebatos de nova que son erupciones cataclísmicas repetidas por ciertos tipos de estrellas enanas blancas, los granos de carburo de silicio se encuentran hoy incrustados en meteoritos primitivos.

"El carburo de silicio es uno de los trozos más resistentes que se encuentran en los meteoritos, ", Dijo Bose." A diferencia de otros elementos, estos granos de polvo de estrellas han sobrevivido sin cambios desde antes de que naciera el sistema solar ".

Nacimiento violento

Una estrella se convierte en una nova, una "nueva estrella", cuando de repente se ilumina en muchas magnitudes. Las novas ocurren en pares de estrellas donde una estrella es caliente, remanente compacto llamado enana blanca. La otra es una estrella gigante fría tan grande que su atmósfera exterior extendida alimenta con gas a la enana blanca. Cuando se acumula suficiente gas en la enana blanca, sobreviene una erupción termonuclear, y la estrella se convierte en una nova.

Aunque poderoso, la erupción no destruye a la enana blanca ni a su compañera, para que las novas puedan estallar una y otra vez, lanzando repetidamente al espacio los granos de gas y polvo producidos en la explosión. A partir de ahí, los granos de polvo se fusionan con nubes de gas interestelar para convertirse en los ingredientes de nuevos sistemas estelares.

El sol y el sistema solar nacieron hace unos 4.600 millones de años a partir de una nube interestelar de este tipo, sembrado con granos de polvo de erupciones estelares anteriores por muchos tipos diferentes de estrellas. Casi todos los granos originales se consumieron para hacer el sol y los planetas, sin embargo, quedaba una pequeña fracción. Hoy estos trozos de polvo de estrellas, o granos presolares, se puede identificar en materiales primitivos del sistema solar, como los meteoritos condríticos.

"La clave que nos abrió esto fue la composición isotópica de los granos de polvo de estrellas, "Dijo Bose. Los isótopos son variedades de elementos químicos que tienen neutrones adicionales en sus núcleos." El análisis isotópico nos permite rastrear las materias primas que se unieron para formar el sistema solar ".

Ella añadió, "Cada grano de carburo de silicio lleva una firma de la composición isotópica de su estrella madre. Esto proporciona una prueba de la nucleosíntesis de esa estrella, cómo hizo los elementos".

Bose recopiló datos publicados sobre miles de granos, y descubrió que casi todos los granos se agrupaban naturalmente en tres categorías principales, cada uno atribuible a un tipo de estrella u otro.

Pero había alrededor de 30 granos que no se podían rastrear hasta un origen estelar en particular. En los análisis originales, estos granos fueron señalados como posiblemente originados en explosiones de novas.

¿Pero lo hicieron?

Haciendo polvo de estrellas

Como astrofísico teórico, Starrfield usa cálculos y simulaciones por computadora para estudiar varios tipos de explosiones estelares. Estos incluyen novas, novas recurrentes, Ráfagas de rayos X y supernovas.

Trabajando con otros astrofísicos, estaba desarrollando un modelo informático para explicar los materiales expulsados ​​que se ven en el espectro de una nova descubierta en 2015. Luego asistió a una charla coloquial impartida por Bose antes de que ella se uniera a la facultad.

"No habría seguido esto si no hubiera escuchado la charla de Maitrayee y luego hubiera tenido nuestra discusión de seguimiento, ", dijo. Eso lo acercó más a los detalles de las erupciones de novas en general y lo que los granos presolares podrían decir sobre estas explosiones que los arrojaron al espacio".

Pronto surgió un problema. "Después de hablar con ella, "Starrfield dijo, "Descubrí que nuestra forma inicial de resolver el problema no estaba de acuerdo ni con las observaciones astronómicas ni con sus resultados.

"Así que tuve que encontrar una manera de evitar esto".

Recurrió a los estudios multidimensionales de las explosiones de novas clásicas y armó una forma completamente nueva de hacer los cálculos del modelo.

Hay dos clases principales de composición de nova, Dijo Starrfield. "Una es la clase de oxígeno-neón en la que he estado trabajando durante 20 años. La otra es la clase de carbono-oxígeno a la que no le había prestado tanta atención". Las designaciones de clase para las novas provienen de los elementos que se ven en sus espectros.

"El tipo de carbono-oxígeno produce mucho polvo como parte de la explosión en sí, ", Dijo Starrfield." La idea es que la explosión de la nova llegue hasta el núcleo de carbono-oxígeno de la enana blanca, traer todos estos elementos mejorados y enriquecidos a una región con altas temperaturas ".

Ese, él dijo, puede provocar una explosión mucho mayor, agregando, "Es muy desordenado. Dispara polvo en zarcillos, hojas, chorros, manchas y grumos ".

Los cálculos de Starrfield hicieron predicciones de 35 isótopos, incluidos los de carbono, nitrógeno, silicio, azufre y aluminio, eso sería creado por los estallidos de novas de carbono-oxígeno.

Resultó que obtener la proporción correcta de material del núcleo de la enana blanca y material acumulado de la estrella compañera era absolutamente necesario para que las simulaciones funcionaran. Bose y Starrfield luego compararon las predicciones con las composiciones publicadas de los granos de carburo de silicio.

Esto los llevó a una conclusión algo sorprendente. Dijo Bose, "Descubrimos que solo cinco de los aproximadamente 30 granos podrían provenir de las novas".

Si bien esto puede parecer un resultado decepcionante, los científicos estaban realmente complacidos. Bose dijo:"Ahora tenemos que explicar las composiciones de los granos que no provienen de los estallidos de novas. Esto significa que hay una fuente o fuentes estelares completamente nuevas por descubrir".

Luego, mirando la imagen más grande, ella añadió, "También hemos descubierto que las observaciones astronómicas, Se necesitan simulaciones por computadora y mediciones de laboratorio de alta precisión de granos de polvo de estrellas si queremos comprender cómo evolucionan las estrellas. Y este es exactamente el tipo de ciencia interdisciplinaria en la que sobresale la escuela ".