Separadas ao nascer: comparando a composição química de estrelas binárias

Título: Identical or fraternal twins? : The chemical homogeneity of wide binaries from Gaia DR2

Autores: Keith Hawkins, Madeline Lucey, Yuan-Sen Ting, Alexander Ji, Dustin Katzberg, Megan Thompson, Kareem El-Badry, Joanna Teske, Tyler Nelson, Andreia Carrillo

Instituição do primeiro autor: The University of Texas at Austin, EUA

Status: publicado no MNRAS [acesso aberto]

Para entender o nosso lugar na Via Láctea, precisamos entender a sua história. Responder a perguntas sobre a evolução dinâmica da nossa galáxia – como seus diferentes componentes evoluíram e interagiram – é a força motriz por trás do campo de Arqueologia Galáctica. Usando informações sobre os movimentos, idades e composições químicas das estrelas, astrônomos podem reconstruir a história de como a estrutura da Via Láctea mudou ao longo do tempo.

Uma das técnicas mais importantes da arqueologia galáctica é chamada marcação química. À medida que o Universo envelhece, as estrelas criam elementos mais pesados e os espalham por sua vizinhança interestelar. Conforme o tempo passa, diferentes regiões do universo terão diferentes abundâncias químicas características de um dado período. A técnica de marcação química baseia-se, portanto, no pressuposto de que estrelas com composições químicas semelhantes nasceram na mesma época. Se isso é verdade, a marcação química pode ser usada para, por exemplo, identificar aglomerados estelares que se dispersaram.

No entanto, para que essa técnica funcione, é importante testar suas suposições. Existem dois princípios básicos embasando a técnica de marcação química. Estrelas que se formam em grupos são:

  1. Quimicamente homogêneas (ou seja, têm a mesma composição de elementos).
  2. Diferentes de outros grupos quanto à composição química.

A melhor maneira de testar essas suposições é estudando estrelas binárias distantes. Essas estrelas são úteis para esse propósito porque se formaram juntas, mas não interagiram durante sua evolução, portanto não houve alterações externas na suas abundâncias de elementos.

Os autores do artigo de hoje identificaram 50 estrelas em 25 binárias distantes com o objetivo de testar esses dois princípios. Com distâncias precisas da missão de Gaia e espectroscopia do Observatório McDonald, eles foram capazes pela primeira vez de impor restrições ao uso da técnica de marcação química nas estrelas da Via Láctea.

Binárias distantes são quimicamente homogêneas?

Para determinar se as estrelas nascidas em grupos têm a mesma composição química, os autores realizaram medidas espectroscópicas precisas de todas as 50 estrelas nos 25 pares binários (veja a Figura 1). Eles mediram 23 elementos químicos diferentes, mas focaram-se principalmente na relação ferro-hidrogênio, [Fe/H] expressa em unidades logarítmicas (ou seja, dex), que é tipicamente bem determinada.

Para 20 das 25 estrelas estudadas, a diferença em [Fe / H] entre as binárias foi da ordem de 0,02 dex – um valor que, dadas as incertezas, é pequeno o suficiente para que se possa dizer que as estrelas são homogêneas. Para as cinco estrelas restantes, a diferença foi de aproximadamente 0,10 dex. Embora o valor seja pequeno, é suficiente para despertar suspeitas. Para razões de outros elementos medidos, as diferenças ficaram dentro da incerteza de medição de 0,08 dex.

Figura 1: parte do espectro observado para 4 dos 25 sistemas binários. Um componente é mostrado com uma linha pontilhada e o outro com uma linha sólida. Para as três binárias na parte de baixo do gráfico, as diferenças são extremamente pequenas, indicando que suas abundâncias químicas são consistentes. Para o exemplo mais acima, os espectros são visivelmente distintos em alguns pontos, e a diferença em suas abundâncias químicas é maior. Figura 2 no artigo.

As binárias são únicas em sua composição química?

Para verificar se a abundância química entre estrelas de um par binário é distinta das demais estrelas, os autores verificaram a concordância entre abundâncias químicas de pares aleatórios de estrelas em sua amostra. Os resultados podem ser vistos na Figura 2.

Se as estrelas tivessem composições químicas semelhantes independente do seu histórico de formação, os pares aleatórios mostrariam diferenças em abundâncias químicas semelhantes aos pares binários. Em vez disso, os dados mostram que as diferenças entre estrelas binárias são muito menores, tornando-as muito mais homogêneas do que quando comparadas às estrelas de campo aleatórias.

Figura 2: diagramas de violino mostrando a distribuição das diferenças entre binárias com seu par real (laranja, esquerda) e com estrelas aleatórias da amostra (verde, direita). A parte superior mostra a razão entre cada elemento e o hidrogênio (H), e a parte inferior mostra a razão entre cada elemento e o ferro (Fe). Como esperado, as diferenças entre os pares binários reais são muito menores do que quando comparadas com estrelas aleatórias. As linhas sólidas representam uma dispersão de 0,05 dex em ambos gráficos. Figura 3 no artigo.

Quais os próximos passos?

Esses resultados são incrivelmente encorajadores para o uso de marcação química na arqueologia galáctica, dado que em 80% dos casos os pares binários têm composições químicas quase idênticas. No futuro, os autores esperam aumentar sua amostra estelar, para checar se a porcentagem de 20% de estrelas que não são quimicamente homogêneas é de fato real. Entender as razões por que essas estrelas não compartilham as mesmas composições químicas também é um próximo passo importante nesse campo e permitirá estabelecer os limites da técnica de marcação química.


Adaptado de Separated At Birth: Comparing Chemical Compositions of Binaries, escrito por Oliver Hall.

 

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