[:en]Astronomers solve decades-long mystery of the “lonesome old stars”[:es]Astrónomos resuelven misterio de décadas sobre las “viejas estrellas solitarias”[:]


Many, perhaps most, stars in the Universe live their lives with companions by their sides – in so-called binary systems. Until recently, however, the ancient RR Lyrae stars appeared, for mysterious reasons, to live their lives all alone. A recent study led by experts of Chile’s Millennium Institute of Astrophysics (MAS) and Catholic University shows that RR Lyrae stars may not be as lonely as previously thought.

Stars are very often found not in isolation, but rather in pairs. In these so-called binary systems, two stars orbit around their common center of gravity. Suitable binary systems are of extreme importance in astrophysics, as their properties can be inferred with unparalleled accuracy from detailed analysis of their orbital properties.

Puzzlingly, however, an overwhelming majority of the known members of a very important family of stars, known to astronomers as RR Lyrae variables, have for long appeared to live their lives all alone. These stars, being among the oldest known in the cosmos, contain precious information about the origin and evolution of the stellar systems that harbor them, such as the Milky Way itself. However, the lack of RR Lyrae stars in binary systems has made a direct assessment of some of their key properties difficult. Most often, theory had to be invoked to fill the gap.

This apparent solitude has always intrigued astronomers. Now, however, an international research team led by experts of the Millennium Institute of Astrophysics (MAS) and the Pontificia Universidad Católica de Chile’s Institute of Astrophysics (IA) have found evidence that these stars may not abhor companionship so thoroughly after all. In a recent Letter published in the prestigious journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, the team reports on the identification of as many as 20 candidate RR Lyrae binaries – an increase by up to 2000% with respect to previous tallies. Twelve of those candidates have enough measurements to conclude with high confidence that they do indeed consist of two stars orbiting each other.

Foto 1“In the solar neighborhood, about every second star is in a binary. The problem with RR Lyrae variables is that for a long time only one of them was known to be in a long-period binary system. The fact that among 100,000 known RR Lyrae stars only one of them had been seen to have such a companion was something really intriguing for astronomers,” explains Gergely Hajdu, IA-PUC Ph.D. student, MAS researcher, and lead author of the study.

In their paper, the authors used a method that astronomers call “light-travel time effect,” which exploits subtle differences in the time it takes starlight to reach us.

“The RR Lyrae stars pulsate regularly, significantly increasing, and then decreasing, their sizes, temperatures, and brightness, in a matter of just a few hours. When a pulsating star is in a binary system, the changes in brightness perceived by us can be affected by where exactly the star is in the course of its orbit around the companion. Thus, the starlight takes longer to reach us when it is at the farthest point along its orbit, and vice-versa. This subtle effect is what we have detected in our candidates,” according to Hajdu.

“Our measurements were based on data published by the Polish OGLE Project. The OGLE team have obtained their data using the 1.3m Warsaw telescope, located in Las Campanas Observatory, northern Chile, repeatedly observing the same patches of the sky for many years. Our 20 candidates were found analyzing the roughly 2000 best observed RR Lyrae stars towards the central parts of the Milky Way. That’s about 5% of the known ones. It was only thanks to the high quality of the OGLE data and the long timespan of these observations that we could finally find signs of companions around so many of these stars,” stated Hajdu. Indeed, the systems detected by Hajdu et al. have orbital periods of several years, which indicates that the companions, though bound together by gravity, are not very close to one another. “Binaries with even longer periods may also exist, but the current data do not extend long enough for us to reach strong conclusions in this respect,” he adds.

Foto 2For co-author Márcio Catelan, MAS Associate Researcher, IA-PUC astrophysicist and Hajdu’s thesis advisor, these results have significant implications for astrophysics. “These are extremely old stars, which have witnessed the formation of galaxies like our own Milky Way, and survived to tell us the story. Besides, they are easy to identify, since they show characteristic, cyclical brightness variations, which make them excellent distance indicators for the nearby Universe. However, a lot of what we know about them relies on theoretical modeling. We can now exploit the orbital information contained in these binary systems – and there are quite a few of them now – in order to directly measure their physical properties, especially their masses but possibly also their diameters, thus opening new doors to discoveries that until recently seemed impossible,” he said.

This is just the first step towards achieving these goals, however: according to Catelan, more data will be needed, particularly follow-up observations of the binary candidates with sophisticated techniques like spectroscopy and astrometry. The rewards awaiting at the end of the road seem well worth the long journey. And the RR Lyrae will happily traverse that path with their companions firmly by their sides.

 Paper: New RR Lyrae variables in binary systems, by Hajdu et al.

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, 449, L113-L117


Main image: Map of the sky towards the central bulge of the Milky Way, with the positions of the binary candidates indicated as red circles. The color image is based on near-infrared observations, obtained in the course of the Vista Variables in the Vía Láctea (VVV) ESO Public Survey (see http://www.eso.org/public/news/eso1242/), courtesy D. Minniti. The scale is approximately 20.3 degrees by 15.3 degrees.  

Image 1: Observed brightness of a binary RR Lyrae star (ID: OGLE-RRLYR-06498) as a function of time. The upper plot shows magnitude (in the I band, where “I” stands for infrared) as a function of Barycentric Julian Date, a standardized unit of time commonly used in astronomy. Gray symbols indicate all the available individual measurements, whereas the red symbols show a “movie” of the data points as they were collected over time. The bottom plot shows the same as the above plot, but with the data folded according to the pulsation period (0.589 days) measured by Hajdu et al. (i.e., 0.589 days are encompassed between phases 0 and 1). The main brightness variations that show up as a sawtooth-like distribution corresponds to the pulsation of the RR Lyrae variable, whereas the back-and-forth “movement” that is mapped by the red dots is the signal that is brought about by the presence of a companion (light-travel time effect, corresponding to an orbital period of 2789 days).

Imagen 2: Same as above, but for star with ID OGLE-RRLYR-06545. This RR Lyrae star, also with a pulsation period of 0.589 days, has a very similar light curve shape as OGLE-RRLYR-06498, but it does not display signs of the light-travel time effect, indicating that it lacks a companion.


Muchas de las estrellas en el universo, por no decir la mayoría, viven con una compañera a su lado – estos son los llamados sistemas binarios. Sin embargo, hasta hace poco y por razones desconocidas, las viejas estrellas RR Lyrae parecían vivir en completa soledad. No obstante, esto podría cambiar, ya que un estudio reciente liderado por expertos del Instituto Milenio de Astrofísica (MAS) y de la Pontificia Universidad Católica de Chile indica que las estrellas RR Lyrae no estarían tan solas como se habría pensado hasta ahora.

positions2A menudo, las estrellas no se encuentran aisladas, sino que en parejas. En estos llamados sistemas binarios, dos estrellas orbitan alrededor de su centro de gravedad común. Estos sistemas binarios son de gran importancia en la astrofísica, ya que gracias a análisis detallados de las propiedades orbitales se puede deducir sus propiedades con una exactitud incomparable.

No obstante, misteriosamente, una mayoría apabullante de integrantes conocidas de una familia de estrellas muy importantes, llamada las RR Lyrae por los astrónomos, han parecido vivir en completa soledad. Estas estrellas, siendo unas de las más viejas conocidas en el cosmos, contienen información valiosa sobre el origen y evolución de los sistemas estelares que las albergan, como la Vía Láctea. Aún así, la falta de estrellas RR Lyrae en sistemas binarios ha hecho muy difícil la apreciación de algunas de sus propiedades claves, por lo que para llenar este vacío se ha acudido a la teoría.

Esta aparente soledad siempre ha intrigado a los astrónomos, pero sólo hasta ahora, ya que un equipo de investigación internacional liderado por expertos del Instituto Milenio de Astrofísica (MAS) y del Instituto de Astrofísica (IA) de la Pontificia Universidad Católica de Chile ha encontrado evidencia que estas estrellas puede que no rechacen totalmente la compañía de otras después de todo. En este reciente estudio publicado en la prestigiosa revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, el equipo reporta la identificación de unas 20 candidatas a estrellas binarias RR Lyrae, lo que implica un incremento de hasta un 2000% en relación a cálculos previos. Doce de esas candidatas tienen suficientes antecedentes para concluir de forma segura que sí se trata de dos estrellas.

Foto 1“En el vecindario solar prácticamente la mitad de las estrellas forman sistemas binarios. El problema con las RR Lyrae es que por mucho tiempo se conoció sólo una de ellas en uno de estos sistemas, con períodos orbitales largos. El hecho es que entre 100.000 estrellas RR Lyrae conocidas sólo una de ellas presentara estas características era algo que desconcertaba a los astrónomos”, explicó Gergely Hajdu, investigador del MAS, alumno de doctorado del IA de la PUC y autor principal de este estudio.

En su publicación, los autores utilizaron un método que los astrónomos llaman “efecto de tiempo de recorrido de la luz”, el cual se enfoca en las diferencias sutiles que se presentan en el tiempo que toma la luz en llegar hasta nosotros.

“Las RR Lyrae son estrellas que pulsan regularmente y que aumentan significativamente para luego disminuir en tamaño, temperatura y brillo en sólo unas horas. Cuando una estrella pulsante está en un sistema binario, los cambios en el brillo que percibimos pueden estar influenciados por la ubicación exacta de ésta en su trayecto en la órbita alrededor de su compañera. Así, la luz de la estrella toma más tiempo en llegar a nosotros cuando está en su punto más lejano dentro de su órbita y viceversa. Este efecto sutil es lo que hemos detectado en nuestras candidatas”, asegura Hajdu.

“Todas nuestras mediciones se basaron en datos publicados por el proyecto polaco OGLE, el cual ha obtenido sus datos utilizando el telescopio Warsaw de 1,3 metros –ubicado en el Observatorio Las Campanas, al norte de Chile– para observar repetidamente las mismas áreas en el cielo por muchos años. Nuestras 20 candidatas se encontraron al analizar alrededor de 2.000 de entre las RR Lyrae mejor observadas hacia las áreas centrales de la Vía Láctea, lo que implica alrededor de un 5% de las que conocemos. Fue sólo gracias a la alta calidad de los datos de OGLE y a la duración de estas observaciones que finalmente pudimos encontrar señales de compañeras alrededor de muchas de estas estrellas”, señaló Hajdu. Ciertamente, los sistemas detectados por Hajdu y el resto de los colaboradores tienen períodos orbitales de varios años, lo que indica que las compañeras, a pesar de estar atadas por la gravedad, no se encuentran muy cerca entre sí. “Puede que existan sistemas binarios con períodos más largos, pero los datos actuales no son lo suficientemente amplios como para llegar a fuertes conclusiones en este aspecto”, añade.

Foto 2Para el coautor de la publicación Márcio Catelan, investigador asociado del MAS, astrofísico del IA de la PUC y guía de tesis de Hajdu, estos resultados tienen importantes implicancias para la astrofísica. “Éstas son estrellas sumamente viejas que han sido testigos presenciales de la formación de galaxias como la nuestra y que han sobrevivido para contarnos esa historia. Además, son fáciles de identificar, pues tienen una característica variación cíclica en su brillo, lo que las convierte en excelentes indicadores de distancia para el universo cercano. Sin embargo, mucho de lo que sabemos de ellas se basa en modelos teóricos, pero ahora podemos aprovechar la información orbital que hay en estos sistemas binarios –y vaya que hay bastantes de estos ahora– con el fin de medir directamente sus propiedades físicas, especialmente su masa, pero posiblemente también su diámetro, lo que nos abriría puertas a nuevos descubrimientos que hasta ahora parecían imposibles”, señaló Catelan.

Éste es sólo el primer paso para conseguir estas metas, no obstante, según Catelan, se necesitarán más datos, en especial observaciones de seguimiento a las candidatas binarias con técnicas sofisticadas como la espectroscopía y la astrometría. A pesar de ser un largo camino, la recompensa que espera al final de éste parece valer mucho la pena y, de seguro, las estrellas RR Lyrae nos acompañarán felices en esta travesía, con sus compañeras siempre a su lado.

Paper: New RR Lyrae variables in binary systems, by Hajdu et al.

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, 449, L113-L117


Foto Principal: Mapa del cielo hacia el bulbo central de la Vía Láctea, con la ubicación de las candidatas binarias destacadas con círculos rojos. La imagen en color se basa en observaciones en el cercano infrarrojo, obtenidas en el curso del Sondeo Público de la ESO “Vistas Variables en la Vía Láctea (VVV)” (ver http://www.eso.org/public/news/eso1242/), cortesía de D. Minniti. La escala de la imagen es de aproximadamente 20,3 por 15,3 grados.

Gif 1: Brillo observado de una estrella binaria RR Lyrae (ID: OGLE-RRLYR-06498) como una función del tiempo. El cuadro de arriba muestra la magnitud (en la banda I, donde “I” representa infrarrojo) como función del Día Juliano Baricéntrico (HJD, por sus iniciales en inglés), una unidad estandarizada de tiempo comúnmente utilizada en astronomía. Los símbolos en gris indican todas las mediciones individuales disponibles, mientras que los símbolos en rojo muestran una “película” de los datos a medida que fueron recolectados en el tiempo. El cuadro de abajo muestra lo mismo que el anterior, pero con los datos “doblados” según el período de pulsación (0,589 días) medido por Hajdu y los colaboradores (es decir, se pasan 0,589 días entre las fases 0 y 1). Las variaciones de brillo más grandes, que aparecen como una distribución parecida a unos dientes de sierra, corresponden a la pulsación de la variable RR Lyrae, mientras que el “movimiento de un lado para otro” que está mapeado por puntos rojos corresponde a la señal provocada por la presencia de una compañera (el efecto de tiempo de recorrido de la luz, correspondiente a un período orbital de 2789 días).

Gif 2: Lo mismo que en la leyenda anterior, pero para la estrella con ID OGLE-RRLYR-06545. Esta estrella RR Lyrae, también con un período de pulsación de 0,589 días, tiene una curva de luz muy similar a OGLE-RRLYR-06498, pero no muestra señales del efecto de tiempo de recorrido de la luz, indicando que carece de una compañera.[:]