NICER de la NASA capta una explosión récord de rayos X.

Ilustración que muestra una explosión de rayos X tipo I. La explosión primero expulsa la capa de hidrógeno, que se expande y finalmente se disipa. Luego, la radiación ascendente se acumula hasta el punto en que se desprende de la capa de helio, que supera al hidrógeno en expansión. Algunos de los rayos X emitidos en la explosión se dispersan del disco de acreción. La bola de fuego se enfría rápidamente y el helio vuelve a la superficie. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA / Chris Smith (USRA)

El telescopio Explorador de Composición Interior de estrellas de neutrones (NICER) situado en la Estación Espacial Internacional detectó un repentino aumento de rayos X alrededor de las 10:04 p.m. EDT el 20 de agosto. La explosión fue causada por un destello termonuclear masivo en la superficie de un púlsar, los restos aplastados de una estrella que hace mucho tiempo explotó como una supernova.

La explosión de rayos X, la más brillante vista por NICER hasta ahora, provino de un objeto llamado SAX J1808.4-3658, o J1808 para abreviar. Las observaciones revelan muchos fenómenos que nunca se han visto juntos en una sola explosión. Además, la bola de fuego en descenso se iluminó brevemente por razones que los astrónomos aún no pueden explicar.

"Esta explosión fue sobresaliente", dijo el investigador principal Peter Bult, astrofísico en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y en la Universidad de Maryland, College Park. "Vemos un cambio de dos pasos en el brillo, que creemos que es causado por la expulsión de capas separadas de la superficie del púlsar, y otras características que nos ayudarán a decodificar la física de estos poderosos eventos".

La explosión, que los astrónomos clasifican como un estallido de rayos X tipo I, liberó tanta energía en 20 segundos como lo hace el Sol en casi 10 días. El detalle que NICER capturó en esta erupción récord ayudará a los astrónomos a afinar su comprensión de los procesos físicos que impulsan los brotes termonucleares y otros púlsares explosivos.

El NICER en el laboratorio. crédito: NASA.

Un púlsar es una especie de estrella de neutrones, el núcleo compacto que queda cuando una estrella masiva se queda sin combustible, colapsa bajo su propio peso y explota. Los pulsares pueden girar rápidamente y albergar puntos calientes emisores de rayos X en sus polos magnéticos. A medida que el objeto gira, barre los puntos calientes a través de nuestra línea de visión, produciendo pulsos regulares de radiación de alta energía.

J1808 se encuentra a unos 11.000 años luz de distancia en la constelación de Sagitario. Gira a unas vertiginosas 401 rotaciones cada segundo, y es un miembro de un sistema binario. Su compañera es una enana marrón, un objeto más grande que un planeta gigante pero demasiado pequeño para ser una estrella. Una corriente constante de gas hidrógeno fluye desde el compañero hacia la estrella de neutrones, y se acumula en una vasta estructura de almacenamiento llamada disco de acreción.

El gas en los discos de acreción no se mueve fácilmente hacia adentro. Pero cada pocos años, los discos alrededor de los púlsares como J1808 se vuelven tan densos que una gran cantidad de gas se ioniza o se despoja de sus electrones. Esto hace que sea más difícil que la luz se mueva a través del disco. La energía atrapada inicia un proceso desbocado de calentamiento e ionización que atrapa aún más energía. El gas se vuelve más resistente al flujo y comienza a girar en espiral hacia adentro, finalmente cayendo sobre el púlsar.

El hidrógeno que llueve sobre la superficie forma un "mar" global caliente y cada vez más profundo. En la base de esta capa, las temperaturas y las presiones aumentan hasta que los núcleos de hidrógeno se fusionan para formar núcleos de helio, lo que produce energía, un proceso que funciona en el núcleo de nuestra Sol.

"El helio se asienta y forma una capa propia", dijo Zaven Arzoumanian de Goddard, investigador principal adjunto de NICER y coautor del artículo. “Una vez que la capa de helio tiene unos pocos metros de profundidad, las condiciones permiten que los núcleos de helio se fusionen en carbono. Luego, el helio entra en erupción explosivamente y desata una bola de fuego termonuclear en toda la superficie del púlsar ”.

Los astrónomos emplean un concepto llamado límite de Eddington, llamado así por el astrofísico inglés Sir Arthur Eddington, para describir la intensidad de radiación máxima que puede tener una estrella antes de que esa radiación haga que la estrella se expanda. Este punto depende en gran medida de la composición del material que se encuentra por encima de la fuente de emisión.

"Nuestro estudio explota este concepto de una nueva manera", dijo el coautor Deepto Chakrabarty, profesor de física en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge. “Aparentemente estamos viendo el límite de Eddington para dos composiciones diferentes en la misma explosión de rayos X. Esta es una forma muy poderosa y directa de seguir las reacciones de quema nuclear que subyacen al evento ".

Cuando comenzó la explosión, los datos de NICER muestran que su brillo de rayos X se estabilizó durante casi un segundo antes de aumentar nuevamente a un ritmo más lento. Los investigadores interpretan este "bloqueo" como el momento en que la energía de la explosión se acumuló lo suficiente como para volar la capa de hidrógeno del púlsar al espacio.

La ISS (Estación Espacial Internacional). Crédito: NASA.

La bola de fuego continuó desarrollándose durante otros dos segundos y luego alcanzó su punto máximo, expulsando la capa de helio más masiva. El helio se expandió más rápido, superó la capa de hidrógeno antes de que pudiera disiparse y luego disminuyó la velocidad, se detuvo y volvió a asentarse en la superficie del púlsar. Después de esta fase, el púlsar se iluminó brevemente nuevamente en aproximadamente un 20 por ciento por razones que el equipo aún no comprende.

Durante la reciente ronda de actividad de J1808, NICER detectó otra explosión de rayos X mucho más tenue que no mostró ninguna de las características clave observadas en el evento del 20 de agosto.

Además de detectar la expansión de diferentes capas, las observaciones de NICER de la explosión revelan rayos X que se reflejan en el disco de acreción y registran el parpadeo de las "oscilaciones de estallido": señales de rayos X que suben y bajan a la frecuencia de giro del púlsar, pero que ocurren en diferentes lugares de la superficie que los puntos calientes responsables de sus pulsos normales de rayos X.

The Astrophysical Journal Letters ha publicado un artículo que describe los hallazgos y está disponible en línea.

NICER es una Misión de Oportunidad de Astrofísica dentro del programa Explorer de la NASA, que ofrece oportunidades de vuelo frecuentes para investigaciones científicas de clase mundial desde el espacio utilizando enfoques de gestión innovadores, simplificados y eficientes dentro de las áreas de ciencias de la astrofísica y la heliofísica. La Dirección de Misión de Tecnología Espacial de la NASA apoya el componente SEXTANTE de la misión, demostrando la navegación de naves espaciales basadas en púlsar.

Por Francis Reddy

Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.

Última actualización: 8 de noviembre de 2019, enlace publicación.

Editor: Rob Garner