Fermi de la NASA detecta los primeros eclipses de rayos gamma de los sistemas estelares 'Spider'
Los científicos han descubierto los primeros eclipses de rayos gamma de un tipo especial de sistema estelar binario utilizando datos del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA. Cada uno de estos llamados sistemas de araña contiene un púlsar, los restos superdensos que giran rápidamente de una estrella que explotó en una supernova, que erosiona lentamente a su compañera.
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| En esta ilustración, una estrella en órbita comienza a eclipsar a su pareja, un remanente estelar superdenso que gira rápidamente llamado púlsar. El púlsar emite haces de luz de múltiples longitudes de onda que giran dentro y fuera de la vista y produce flujos de salida que calientan el lado frontal de la estrella, expulsando material y erosionando a su pareja. Crédito: NASA/Universidad Estatal de Sonoma, Aurore Simonnet |
Un equipo internacional de científicos revisó más de una década de observaciones de Fermi para encontrar siete arañas que experimentan estos eclipses, que ocurren cuando la estrella compañera de baja masa pasa frente al púlsar desde nuestro punto de vista. Los datos les permitieron calcular cómo se inclinan los sistemas en relación con nuestra línea de visión y otra información.
“Uno de los objetivos más importantes del estudio de las arañas es tratar de medir las masas de los púlsares”, dijo Colin Clark, astrofísico del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Hannover, Alemania, quien dirigió el trabajo. “Los púlsares son básicamente bolas de la materia más densa que podemos medir. La masa máxima que pueden alcanzar restringe la física dentro de estos entornos extremos, que no se pueden replicar en la Tierra”.
Un artículo sobre el estudio fue publicado el 26 de enero en Nature Astronomy.
Los sistemas de araña se desarrollan porque una estrella en un sistema estelar binario evoluciona más rápidamente que su pareja. Cuando la estrella más masiva se convierte en supernova, deja atrás un púlsar. Este remanente estelar emite haces de luz de múltiples longitudes de onda, incluidos los rayos gamma, que entran y salen de nuestra vista, creando pulsos tan regulares que rivalizan con la precisión de los relojes atómicos.
Al principio, un púlsar araña se "alimenta" de su compañero extrayendo una corriente de gas. A medida que el sistema evoluciona, la alimentación se detiene cuando el púlsar comienza a girar más rápidamente, generando flujos de partículas y radiación que sobrecalientan el lado frontal del compañero y lo erosionan.
Los científicos dividen los sistemas de arañas en dos tipos que llevan el nombre de especies de arañas cuyas hembras a veces se comen a sus parejas más pequeñas. Las viudas negras contienen compañeros con menos del 5% de la masa del Sol. Los sistemas Redback albergan compañeros más grandes, tanto en tamaño como en masa, que pesan entre el 10% y el 50% del Sol.
“Antes de Fermi, solo sabíamos de un puñado de púlsares que emitían rayos gamma”, dijo Elizabeth Hays, científica del proyecto Fermi en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. “Después de más de una década de observaciones, la misión identificó más de 300 y recopiló un conjunto de datos largo y casi ininterrumpido que permite a la comunidad hacer ciencia pionera”.
Los investigadores pueden calcular las masas de los sistemas de araña midiendo sus movimientos orbitales. Las observaciones de luz visible pueden medir qué tan rápido viaja el compañero, mientras que las mediciones de radio revelan la velocidad del púlsar. Sin embargo, estos se basan en el movimiento hacia y desde nosotros. Para un sistema casi frontal, tales cambios son leves y potencialmente confusos. Las mismas señales también podrían ser producidas por un sistema de órbita más pequeño y más lento que se ve desde un lado. Conocer la inclinación del sistema en relación con nuestra línea de visión es vital para medir la masa.
El ángulo de inclinación normalmente se mide con luz visible, pero estas medidas conllevan algunas complicaciones potenciales. A medida que el compañero orbita el púlsar, su lado sobrecalentado aparece y desaparece de la vista, creando una fluctuación en la luz visible que depende de la inclinación. Sin embargo, los astrónomos aún están aprendiendo sobre el proceso de sobrecalentamiento, y los modelos con diferentes patrones de calentamiento a veces predicen diferentes masas de púlsares.
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| El telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA orbita la Tierra en esta ilustración. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA/Chris Smith (USRA) |
Los rayos gamma, sin embargo, solo son generados por el púlsar y tienen tanta energía que viajan en línea recta, sin verse afectados por los escombros, a menos que los bloquee el compañero. Si los rayos gamma desaparecen del conjunto de datos de un sistema de araña, los científicos pueden inferir que el compañero eclipsó al púlsar. A partir de ahí, pueden calcular la inclinación del sistema en nuestra línea de visión, las velocidades de las estrellas y la masa del púlsar.
PSR B1957+20, o B1957 para abreviar, fue la primera viuda negra conocida, descubierta en 1988. Los modelos anteriores de este sistema, construidos a partir de observaciones de luz visible, determinaron que estaba inclinado unos 65 grados en nuestra línea de visión y la masa del púlsar era 2,4 veces la del Sol. Eso convertiría a B1957 en el púlsar más pesado conocido, a caballo entre el límite de masa teórico entre el púlsar y el agujero negro.
Al observar los datos de Fermi, Clark y su equipo encontraron 15 fotones de rayos gamma faltantes. La sincronización de los pulsos de rayos gamma de estos objetos es tan confiable que 15 fotones perdidos durante una década son lo suficientemente significativos como para que el equipo pueda determinar que el sistema está eclipsando. Luego calcularon que el binario tiene una inclinación de 84 grados y que el púlsar pesa solo 1,8 veces más que el Sol.
“Hay una búsqueda para encontrar púlsares masivos, y se cree que estos sistemas de arañas son una de las mejores formas de encontrarlos”, dijo Matthew Kerr, coautor del nuevo artículo y físico investigador del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. en Washington. . “Han pasado por un proceso muy extremo de transferencia de masa de la estrella compañera al púlsar. Una vez que realmente afinemos estos modelos, sabremos con seguridad si estos sistemas de arañas son más masivos que el resto de la población de púlsares”.
El telescopio espacial de rayos gamma Fermi es una asociación de astrofísica y física de partículas administrada por Goddard. Fermi fue desarrollado en colaboración con el Departamento de Energía de los Estados Unidos, con importantes contribuciones de instituciones académicas y socios en Francia, Alemania, Italia, Japón, Suecia y los Estados Unidos.
Artículo en Nature Astronomy :"Neutron star mass estimates from gamma-ray eclipses in spider millisecond pulsar binaries" por C. J. Clack et al., enlace publicación.
Por Jeanette Kazmierczak
Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.
Contacto con los medios:
Claire Andreoli
Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.
Última actualización: 30 de enero de 2023, enlace publicación.
Montaje: Jeanette Kazmierczak
