Rápido estallido de radio causa un improbable rompecabezas a los astrónomos
Los astrónomos se sorprendieron al encontrar un rápido estallido de radio en un cúmulo globular. Los astrónomos creen que los enigmáticos destellos de ondas de radio de milisegundos de duración surgen en las estrellas de neutrones recién nacidas. Sin embargo, las estrellas de los cúmulos globulares son casi tan antiguas como el universo mismo.
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| El cúmulo globular Messier 5, que se muestra aquí en esta imagen del Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, es uno de los más antiguos pertenecientes a la Vía Láctea. La mayoría de sus estrellas se formaron hace más de 12.000 millones de años, pero hay algunos recién llegados inesperados a la escena, que aportan algo de vitalidad a esta población que envejece. Las estrellas en cúmulos globulares se forman en el mismo vivero estelar y envejecen juntas. Las estrellas más masivas envejecen rápidamente, agotan su suministro de combustible en menos de un millón de años y terminan sus vidas en espectaculares explosiones de supernovas. Este proceso debería haber dejado al antiguo cúmulo Messier 5 con solo estrellas viejas de baja masa que, a medida que envejecían y se enfriaban, se convirtieron en gigantes rojas, mientras que las estrellas más antiguas evolucionaron aún más hasta convertirse en estrellas azules de rama horizontal. Sin embargo, los astrónomos han detectado muchas estrellas azules jóvenes en este cúmulo, escondidas entre las estrellas antiguas mucho más luminosas. Los astrónomos creen que estos jóvenes rezagados, llamados rezagados azules, fueron creados por colisiones estelares o por la transferencia de masa entre estrellas binarias. Tales eventos son fáciles de imaginar en cúmulos globulares densamente poblados, en los que hasta unos pocos millones de estrellas están muy juntas. Messier 5 se encuentra a una distancia de unos 25 000 años luz en la constelación de Serpens (La Serpiente). Esta imagen fue tomada con Wide Field Channel de la Cámara avanzada para encuestas del Hubble. La imagen se creó a partir de imágenes tomadas a través de un filtro azul (F435W, de color azul), un filtro rojo (F625W, de color verde) y un filtro de infrarrojo cercano (F814W, de color rojo). Los tiempos de exposición totales por filtro fueron 750 s, 400 s y 567 s, respectivamente. El campo de visión es de unos 2,6 minutos de arco. Crédito: ESA/Hubble y NASA |
“Este es un resultado realmente sorprendente”, dice Nanda Rea (Instituto de Ciencias del Espacio, España), que no participó en el estudio. “¿Qué hace una joven estrella de neutrones en un cúmulo globular?”
Las ráfagas rápidas de radio (FRB) se descubrieron por primera vez en 2007. En aproximadamente una milésima de segundo, liberan tanta energía como el Sol en días. En todo el universo observable, cientos de FRB se activan todos los días, pero son difíciles de atrapar. No sabemos dónde ni cuándo ocurrirá el próximo, y la mayoría de los radiotelescopios tienen un campo de visión muy pequeño, como si estuviéramos observando el universo a través de una pajita. (La excepción es el telescopio canadiense CHIME, cuyo enorme campo de visión ha permitido la detección de cientos de FRB hasta la fecha).
Afortunadamente, algunos FRB son repetidores, una señal segura de que el "motor" que produce las ráfagas no se destruye por completo en el evento. Con un poco de paciencia y suerte, los astrónomos pueden estudiar múltiples ráfagas de la misma fuente, simplemente apuntando sus instrumentos a la ubicación de una de las dos docenas de repetidores conocidos.
Eso es exactamente lo que hizo una gran colaboración dirigida por Franz Kirsten (Observatorio Espacial de Onsala, Suecia) el año pasado. Utilizando los 12 radiotelescopios de la Red Europea de Interferometría de Línea de Base Muy Larga (VLBI), observaron la ubicación de FRB 20200120E, una rápida ráfaga de radio en las afueras de la galaxia espiral M81, a unos 12 millones de años luz de distancia en la Osa Mayor. "Este es el FRB extragaláctico más cercano conocido hasta la fecha", dice Kirsten. (En 2020, los astrónomos detectaron un FRB de baja luminosidad en nuestra propia Vía Láctea). Entre febrero y abril de 2021, el equipo detectó un total de cinco estallidos.
Usando interferometría, el equipo identificó la posición del repetidor en el cielo con una precisión de apenas 1,25 milisegundos de arco. Se sorprendieron al ver que los destellos energéticos se originaron en uno de los muchos cúmulos globulares de M81. En Nature de hoy (preimpresión disponible aquí), los investigadores afirman que la probabilidad de una alineación fortuita es menos de uno en 6000, y concluyen que la asociación es "robusta".
Explosiones de magnetar
Y ahí es donde comienza el rompecabezas. Existe amplia evidencia de que las ráfagas de radio rápidas se originan en o alrededor de los magnetares: estrellas de neutrones recién nacidas y altamente magnetizadas.
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| Los fuertes campos magnéticos alrededor de una magnetar, representados aquí en el concepto de un artista, pueden torcerse, romperse y reconectarse, produciendo radiación energética. Pero exactamente cómo estos objetos podrían producir ráfagas de radio rápidas todavía está en debate. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA / Chris Smith / USRA / GESTAR |
Pero eso implicaría una explosión de supernova relativamente reciente en el cúmulo globular: "El escenario más común y probable para la formación de magnetares es el de supernova con colapso del núcleo", dice Kirsten.
Sin embargo, las supernovas de colapso del núcleo son las detonaciones terminales de estrellas masivas. Y dado que las estrellas masivas tienen vidas cortas, no esperas explosiones de supernova en cúmulos globulares: los globulares se formaron en la juventud temprana del universo, por lo que cualquier estrella masiva que pudieran haber contenido se habría convertido en supernova hace muchos miles de millones de años.
La explicación más probable, según los investigadores, es que la magnetar se formó de otra manera. Dado que los cúmulos globulares tienen una alta densidad estelar, se espera que contengan muchas estrellas binarias compactas. Si una enana blanca extrajera masa de un compañero estelar, podría haber ganado lo suficiente como para colapsar en una estrella de neutrones.
Otra alternativa es la fusión de, digamos, dos enanas blancas, una enana blanca y una estrella de neutrones, o tal vez incluso dos estrellas de neutrones de baja masa. Cualquier colisión de este tipo también podría conducir a un mayor colapso y al nacimiento de una estrella de neutrones altamente magnetizada.
Pero Rea, que es un experto en magnetares, dice que no hay evidencia inequívoca de que las estrellas de neutrones puedan formarse a través del colapso inducido por acreción o el colapso inducido por fusión. "Hasta ahora, es solo teoría", dice, y agrega que este FRB en particular podría provenir de algo completamente diferente.
Las ráfagas rápidas de radio en los cúmulos globulares pueden llegar a ser comunes. FRB 20200120E es "un FRB de baja luminosidad", señala Kirsten. “No se habría detectado si estuviera a la distancia del siguiente FRB más cercano”. Según Rea, “Puede haber muchos de ellos. Es difícil decirlo sobre la base de un solo ejemplo”.
Parpadeo rápido de la ráfaga
En otro artículo publicado hoy en Nature Astronomy (preimpresión disponible aquí), Kenzie Nimmo (ASTRON Instituto Holandés de Radioastronomía) y sus colegas presentan evidencia de "sub-ráfagas" extremadamente breves en el mismo FRB: disparos aislados de emisión que duran solo 60 nanosegundos. Estos destellos cortos pueden indicar una región de emisión increíblemente pequeña, tal vez solo unas pocas docenas de metros de ancho.
Los potentes estallidos secundarios se asemejan a nanodisparos, un subconjunto de los breves pulsos de radio gigantes observados desde el púlsar del Cangrejo, una estrella de neutrones de menos de 1000 años. La similitud sugiere un vínculo entre púlsares jóvenes y ráfagas de radio rápidas. Los giros y chasquidos magnéticos en las magnetosferas de las estrellas de neutrones podrían desempeñar un papel en ambos fenómenos. Sin embargo, aún se desconoce el mecanismo de emisión preciso de los nanodisparos del Cangrejo y el rápido parpadeo de FRB 20200120E.
Sin embargo, una cosa está clara: las ráfagas de radio rápidas son un grupo diverso. Abarcan una amplia gama de luminosidades de radio y se han descubierto en galaxias masivas en formación de estrellas, en pequeñas galaxias enanas y en espirales de tamaño medio, en guarderías estelares pero también en hogares de ancianos estelares. Aparentemente, los motores que los impulsan pueden nacer en una variedad de formas.
Como dice el miembro del equipo Jason Hessels (ASTRON): “Me sorprendería si los FRB dejaran de sorprendernos. Todavía estamos en la fase de descubrimiento para comprender cuáles son estas fuentes”.
• Publicado en ASS Nova el 23 de febrero del 2022, enlace publicación
