PSR J1023 + 0038, un púlsar de milisegundos de transición.
Un IN-SYNC púlsar desafía las teorías existentes.
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| Esta ilustración muestra el púlsar PSR J1023 + 0038 (representado en blanco, a la derecha), que se clasifica como un púlsar de milisegundos debido a su rápida rotación, girando alrededor de su eje en unas pocas milésimas de segundo. El púlsar también es parte de un sistema estelar binario, que absorbe la materia de su estrella compañera (representada en rojo, a la izquierda) a través de un disco de acreción (también representado en rojo). Además de eso, el PSR J1023 + 0038 pertenece a la rara categoría de los llamados 'púlsares de milisegundos de transición' que cambian periódicamente entre dos modos diferentes de emisiones: en rayos X y ondas de radio. Observaciones recientes realizadas con observatorios de rayos X en el espacio, incluido el XMM-Newton de la ESA, y telescopios ópticos en tierra revelaron que esta fuente también exhibe pulsos en longitudes de onda ópticas y que estos ocurren exactamente al mismo tiempo que los pulsos de rayos X. Los astrónomos trataron de explicar estos pulsos sincronizados con los modelos existentes, pero fue en vano, por lo que desarrollaron un nuevo escenario. Según el nuevo modelo, el púlsar emite un fuerte viento electromagnético (representado como una nube blanca difusa alrededor del púlsar), que luego interactúa con el disco de acreción alrededor del sistema. A medida que el viento del púlsar golpea la materia en el disco de acreción, crea un choque masivo, que acelera los electrones en el viento a velocidades extremadamente altas. Luego, los electrones interactúan con el campo magnético del viento, produciendo poderosos haces de radiación sincrotrón que se pueden observar en las bandas ópticas y de rayos X al mismo tiempo. La ubicación donde se cree que ocurre esta interacción se indica como un punto brillante al lado del púlsar. La ilustración no está a escala; en realidad, la estrella de neutrones es mucho más pequeña que la estrella compañera. Copyright: ESA |
Por primera vez, los astrónomos han detectado pulsos sincronizados de radiación óptica y de rayos X de un misterioso púlsar a unos 4500 años luz de distancia. Las observaciones indican que podría ser necesario un nuevo mecanismo físico para explicar el comportamiento de fuentes de giro rápido como esta, conocidas como púlsares de transición de milisegundos.
Los púlsares son estrellas de neutrones altamente magnetizadas y de rápido giro, las reliquias de estrellas masivas. Son objetos muy densos, que comprenden hasta dos veces la masa del Sol en un radio de solo diez km.
El púlsar analizado en este estudio, conocido como PSR J1023 + 0038, gira alrededor de su eje en unas pocas milésimas de segundo, completando cientos de rotaciones por segundo. Tales púlsares se clasifican como púlsares de milisegundos. Entre estos objetos, algunos también están absorbiendo materia de una estrella compañera, como es el caso de este púlsar, y la acumulación podría explicar su comportamiento de giro rápido.
Pero los astrónomos sospecharon que algo podría ser diferente con PSR J1023 + 0038. Estudios anteriores habían demostrado que este púlsar pertenece a la rara categoría de los llamados 'púlsares de milisegundos de transición' que cambian periódicamente entre dos modos diferentes de emisiones: en rayos X y ondas de radio.
Según el modelo principal que explica este comportamiento inusual, la acumulación de materia de la estrella compañera genera emisiones de rayos X pulsadas, mientras que se cree que la señal de radio es el resultado de la rotación del campo magnético del púlsar. Para realizar la transición entre los dos tipos de emisiones, el púlsar tendría que alternar entre los dos comportamientos, lo que no puede ocurrir al mismo tiempo.
Sin embargo, observaciones adicionales de PSR J1023 + 0038 revelaron que podría ser necesaria una explicación completamente diferente para comprender esta clase de fuentes.
"PSR J1023 + 0038 es el primer púlsar de milisegundos descubierto con pulsaciones también en la banda óptica", dijo Alessandro Papitto del INAF en Roma, Italia, autor principal del nuevo estudio.
"Es un poco como un faro que junto a los flashes ópticos también emite un haz de rayos X", agregó.
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| Imagen de autor del telescopio espacial de rayos X XMM-Newton de la ESA. Crédito: ESA. |
Cuando los investigadores descubrieron por primera vez la señal óptica junto con los pulsos de rayos X, pensaron que cada emisión sería causada por un comportamiento diferente, al igual que en otros púlsares de transición conocidos. De hecho, los modelos teóricos muestran que el campo magnético giratorio podría crear una señal óptica, de manera similar a lo que sucede con la señal de radio.
Sin embargo, los últimos datos muestran que los pulsos ópticos en PSR J1023 + 0038 aparecen y desaparecen exactamente al mismo tiempo que los rayos X. Según Papitto, esto es difícil de conciliar con el escenario existente: si se emiten al unísono, estas señales deben tener el mismo origen.
Cuando establecimos las observaciones, pensamos que el púlsar oscilaría entre pulsaciones ópticas y de rayos X ", dijo Papitto." Eso significaría que el sistema está cambiando su estado muy rápido entre los dos modos de emisión. Pero en realidad vimos que los dos tipos de pulsaciones ocurren simultáneamente durante decenas de minutos, luego se apagan y vuelven a unirse ".
El equipo trató de explicar los pulsos sincronizados con los modelos convencionales, pero fue en vano. La señal óptica es demasiado brillante para ser un subproducto de la acumulación, como en el caso de los pulsos de rayos X. Los modelos basados en la rotación del campo magnético del púlsar, como los que explican las pulsaciones de radio, también se quedaron cortos.
Papitto y sus colaboradores, por lo tanto, propusieron un nuevo escenario que podría explicar los datos.
"Estamos observando algo completamente diferente de otros tipos de púlsares", dijo Papitto. "Pensamos que quizás el púlsar emite un fuerte viento electromagnético, que luego interactúa con el disco de acreción alrededor del sistema".
A medida que el viento del púlsar golpea la materia en el disco de acreción, crea un choque masivo, que acelera los electrones en el viento a velocidades extremadamente altas. Luego, los electrones interactúan con el campo magnético del viento, produciendo poderosos haces de radiación sincrotrón que se pueden observar en las bandas ópticas y de rayos X al mismo tiempo.
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| El Telescopio Nazionale Galileo (TNG), operado por el Instituto Italiano de Astrofísica (INAF) y ubicado en la isla de La Palma, Islas Canarias, España. Copyright: INAF / R. Cerisola. |
"Creemos que esta región de choque entre el viento del púlsar y el disco de acreción actúa como una pantalla donde se deposita la energía", explicó Papitto. "Esta energía se re-irradia rápidamente de una vez, lo que lleva al pulso observado de radiación óptica y de rayos X en cada rotación".
A diferencia de otros púlsares, el disco de acreción no llega hasta la superficie del púlsar, pero el viento lo trunca aproximadamente a cien kilómetros de distancia, por lo que no contribuye a la mayor parte de la emisión de rayos X y la velocidad de rotación del púlsar. otros modelos asumen.
El nuevo modelo proporciona una posible explicación para los pulsos simultáneos, pero se necesitarán más datos para validar la teoría. Por ejemplo, el modelo predice un pequeño lapso de tiempo, de solo unos pocos cientos de microsegundos, entre la señal óptica y la de rayos X, que aún no se ha confirmado en los datos.
"Queremos verificar si hay algún retraso entre las pulsaciones para probar nuestro modelo, ya que se tarda un poco más en emitir luz visible que los rayos X", dijo Papitto. "Pero las incertidumbres siguen siendo grandes, por lo que debemos medir los pulsos nuevamente y con mayor precisión".
El nuevo modelo podría explicar otros comportamientos desconcertantes de los púlsares de transición de milisegundos que no se comprenden completamente, como la presencia simultánea del comportamiento de acreción y las características del púlsar impulsado por la rotación, que deberían ser mutuamente excluyentes.
"Hacer tales observaciones requiere una resolución de tiempo muy alta, detectar fotones individuales y marcar su hora de llegada con la precisión de microsegundos", dijo el científico del proyecto ESA XMM Norbert Schartel.
"Es realmente afortunado que XMM-Newton permita estudios de variabilidad temporal tan detallados, a pesar de que no fue diseñado con ese propósito en mente. Esto demuestra la gran versatilidad del observatorio, que ha permitido una amplia gama de descubrimientos a lo largo de las dos últimas décadas".
Los astrónomos esperan futuras mejoras en las tecnologías que permitan identificar el tiempo de llegada de fotones individuales en longitudes de onda ópticas, lo que mejoraría aún más la comprensión de los púlsares como PSR J1023 + 0038.
NOTAS PARA EDITORES.
"Pulsating in Unison at Optical and X-Ray Energies: Simultaneous High Time Resolution Observations of the Transitional Millisecond Pulsar PSR J1023+0038" por A. Papitto et al. se publica en el Astrophysical Journal, enlace artículo.
El estudio combina: observaciones de rayos X de los observatorios de rayos X NuSTAR y NICER de la ESA, XMM-Newton; observaciones ultravioletas de Swift de la NASA; observaciones ópticas del Telescopio Óptico Nacional Galileo (TNG) del INAF, equipado con el Fotómetro Astronómico Óptico Rápido de Silicio, SiFAP, desarrollado en la Universidad Sapienza de Roma, Italia, y el Telescopio Óptico Nórdico (NO), ambos ubicados en el Observatorio Roque de los Muchachos, en La Palma, Islas Canarias, España, así como del Telescopi Joan Oró (TJO), ubicado en el Observatorio del Montsec en el prepirineo catalán, España; y observaciones infrarrojas del Gran Telescopio Canarias (GTC), también en la isla de La Palma.
PARA OBTENER MÁS INFORMACIÓN, PÓNGASE EN CONTACTO:
Alessandro Papitto
Instituto Nacional de Astrofísica (INAF)
Osservatorio Astronomico di Roma, Italia
Correo electrónico: alessandro.papitto@inaf.it
Norbert Schartel
Científico del proyecto XMM-Newton
Agencia Espacial Europea
Correo electrónico: norbert.schartel@esa.int
• Publicado 13 de septiembre del 2.019, enlace publicación.
