Messier 51, ULX fuentes ultra luminosas de Rayos X .

ULX o rayos X binarios en Messier 51, irradiando con la luz de millones de soles.
Imagen compuesta de Messier 51 formada por rayos X de Chandra y luz óptica de Hubble.
La nueva fuente de ULX recien descubierta está marcado por un círculo.

En la década de 1980, los científicos comenzaron a descubrir una nueva clase de fuentes extremadamente brillantes de rayos X en las galaxias. Estas fuentes fueron una sorpresa, ya que estaban claramente ubicadas lejos de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de las galaxias. Al principio, los investigadores pensaron que muchas de estas fuentes ultraluminosas de rayos X, o ULX[1], eran agujeros negros que contenían masas entre aproximadamente cien y cien mil veces la del sol. Trabajos posteriores han demostrado que algunos de ellos pueden ser agujeros negros de masa estelar, que contienen hasta algunas decenas de veces la masa del sol.


En 2014 [2], observaciones con NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) de la NASA, enlace con la publicación de NuSTAR,  y Chandra X-ray Observatory mostraron que algunos ULX, que brillan con luz de rayos X que iguala en luminosidad a la producción total en todas las longitudes de onda de millones de soles, son incluso objetos estelares menos masivos llamados estrellas de neutrones. Estos son los núcleos quemados de estrellas masivas que explotaron. Las típica estrellas de neutrones contienen solo 1,5 veces la masa del sol. Tres de estos ULX se identificaron como estrellas de neutrones en los últimos años. Los científicos descubrieron variaciones regulares, o "pulsaciones", en la emisión de rayos X de los ULX, comportamiento que exhiben las estrellas de neutrones pero no los agujeros negros.

Observatorio espacial de rayos X Chandra de la NASA.

Ahora, los investigadores que usan datos del Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA han identificado un cuarto ULX como una estrella de neutrones, y han encontrado nuevas pistas sobre cómo estos objetos pueden brillar tan intensamente. El ULX recientemente caracterizado se encuentra en la galaxia Whirlpool, también conocida como Messier 51. Esta imagen compuesta del Whirlpool contiene rayos X de Chandra (púrpura) y datos ópticos del Telescopio Espacial Hubble (rojo, verde y azul). El ULX está marcado con un círculo.

Las estrellas de neutrones son objetos extremadamente densos: una cucharadita pesaría más de mil millones de toneladas, tanto como una montaña. La intensa gravedad de las estrellas de neutrones aleja el material circundante de las estrellas compañeras, y cuando este material cae hacia la estrella de neutrones, se calienta y se ilumina con rayos X. A medida que más y más materia cae sobre la estrella de neutrones, llega un momento en que la presión de la luz de rayos X resultante se vuelve tan intensa que aleja la materia. Los astrónomos llaman a este punto  el límite de Eddington, cuando los objetos normalmente no pueden acumular materia más rápido y emiten más rayos X. El nuevo resultado muestra que ULX está superando el límite de Eddington para una estrella de neutrones.

Los científicos analizaron los datos de rayos X de los archivos tomados por Chandra y descubrieron un descenso inusual en el espectro de rayos X de ULX, que es la intensidad de los rayos X que se miden en diferentes longitudes de onda. Después de descartar otras posibilidades, llegaron a la conclusión de que la caída probablemente se debía a un proceso llamado dispersión de resonancia ciclotrón, que ocurre cuando las partículas cargadas, ya sean protones cargados positivamente o electrones cargados negativamente, dan vueltas alrededor de un campo magnético. El tamaño de la inmersión en el espectro de rayos X, llamado línea ciclotrón, implica intensidades de campo magnético que son al menos 10.000 veces mayores que las asociadas con la materia en espiral en un agujero negro de masa estelar, pero están dentro del rango observado para neutrones estrellas. Esto proporciona una fuerte evidencia de que este ULX es una estrella de neutrones en lugar de un agujero negro, y es la primera identificación que no implicó la detección de pulsaciones de rayos X.

El Observatorio NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope 
Array)  de Rayos X. Crédito: NASA

Una determinación precisa de la intensidad del campo magnético depende de si se conoce la causa de la línea del ciclotrón, ya sean protones o electrones. Si la línea es de protones, entonces los campos magnéticos alrededor de la estrella de neutrones son extremadamente fuertes, comparables a los campos magnéticos más fuertes producidos por estrellas de neutrones, y de hecho pueden estar ayudando a romper el límite de Eddington. Tales campos magnéticos fuertes podrían reducir la presión de los rayos X de ULX, la presión que normalmente empuja a la materia, permitiendo que la estrella de neutrones consuma más materia de la esperada.

Si la línea del ciclotrón proviene de electrones circundantes, por el contrario, la fuerza del campo magnético alrededor de la estrella de neutrones sería aproximadamente 10.000 veces menos fuerte y por lo tanto no lo suficientemente potente como para que el flujo sobre esta estrella neutrónica rompa el límite de Eddington.

Los investigadores actualmente no tienen un espectro del nuevo ULX con suficiente detalle para determinar el origen de la línea ciclotrón. Para abordar aún más este misterio, los investigadores planean adquirir más datos de rayos X sobre el ULX en Messier 51 y buscar las líneas de ciclotrón en otros ULX.

Un artículo que describe esta investigación, dirigido por Murray Brightman del Instituto de Tecnología de California, aparece en el último número de Nature Astronomy. Los otros autores incluyen F. Fürst del Centro Europeo de Astronomía Espacial; M. J. Middleton de la Universidad de Southampton, Reino Unido; DJ. Walton y A.C. Fabian de la Universidad de Cambridge, Reino Unido; D. Stern del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA; M. Heida de Caltech; El Centro Nacional de Investigación Científica de D. Barret de Francia y la Universidad de Toulouse; y M. Bachetti del Istituto Nazionale di Astrofisica de Italia.

El Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama, administra el programa Chandra para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington. El Observatorio Astrofísico Smithsonian de Cambridge, Massachusetts, controla la ciencia y las operaciones de vuelo de Chandra.

Notas.
[1] ULX: fuente ultraluminosa de rayos X. Un objeto que emite más rayos X que la mayoría de los sistemas binarios "normales" en los que una estrella compañera está en órbita alrededor de una estrella de neutrones o un agujero negro. Los ULX también son definidos como rayos X binarios (XRB de sus siglas del inglés) ya que se producen en sistemas estelares binarios compuestos por un estrella compañera y un agujero negro o estrella de neutrones.
[2] Artículo anterior del 2.014.

Crédito:
Rayos X: NASA / CXC / Caltech / M. Brightman et al.; 
Óptico: NASA / STScI.

Publicación artículo.
• Fecha de lanzamiento, Chandra 1 de marzo de 2018