Chorros en estrellas de neutrones

Integral detecta explosiones gigantes que alimentan chorros de estrellas de neutrones 

El telescopio espacial de rayos gamma Integral de la ESA  ha desempeñado un papel decisivo en la captura de chorros de materia que son expulsados ​​al espacio a un tercio de la velocidad de la luz. El material y la energía se liberaron cuando se produjeron enormes explosiones en la superficie de una estrella de neutrones. Esta primera observación mundial resultó ser "un experimento perfecto" para explorar chorros astrofísicos de todo tipo.

Esta impresión artística muestra cómo las explosiones nucleares en una estrella de neutrones alimentan los chorros que despegan de sus regiones polares magnéticas. Cuando está en órbita con otra estrella, el intenso campo gravitacional de la estrella de neutrones puede "succionar" material de su compañera cercana. El material se arremolina hacia el objeto colapsado, lo rodea, forma un disco y finalmente cae a la superficie. La gravedad que choca contra la superficie de la estrella de neutrones comprime violentamente el material acumulado (que consiste principalmente en hidrógeno), provocando una explosión nuclear desbocada. Esto, a su vez, hace que los chorros se intensifiquen repentinamente y expulsen partículas al espacio a muy alta velocidad. Una estrella de neutrones que está tragando material de una compañera cercana es una poderosa fuente celeste de rayos X y luz de radio. Los científicos han utilizado instrumentos a bordo del satélite Integral de la ESA y del Australia Telescope Compact Array (ATCA) de radiotelescopios de CSIRO para monitorear uno de estos intrigantes sistemas durante muchas horas. Por primera vez, observaron un vínculo claro entre las ráfagas de rayos X y los picos en la señal de radio. Reveló cómo la explosión provoca un aumento del material que fluye hacia el chorro que se lanza al espacio a un tercio de la velocidad de la luz. Este resultado abre una nueva ventana para investigar cómo se forman los chorros en las estrellas de neutrones y en otros objetos celestes, y para establecer si existe una conexión directa entre la rapidez con la que gira un objeto y la potencia y velocidad de sus chorros. [Descripción de la imagen: En primer plano, en el centro a la derecha, hay una bola blanca muy brillante, que representa la estrella de neutrones. Filamentos blancos/morados salen de su región polar. La bola está rodeada por una esfera más grande de color blanco brumoso, la corona, y más lejos por un disco con bandas concéntricas de diferentes colores, que van del blanco en el disco interior al naranja en el medio y al rojo magenta en la región exterior. Una banda naranja conecta la parte exterior del disco con una gran sección de una esfera de color amarillo, naranja y rojo en la esquina superior izquierda. Esto representa la estrella compañera de la estrella de neutrones, que alimenta el disco alrededor del cuerpo esférico blanco brillante.] CRÉDITO: Danielle Futselaar y Nathalie Degenaar, Instituto Anton Pannekoek, Universidad de Amsterdam AGRADECIMIENTOS: ATG Medialab. Trabajo de animación realizado por ATG bajo contrato para la ESA. LICENCIA: CC BY-SA 3.0 Licencia estándar IGO o ESA

Los chorros son producidos por muchos objetos astronómicos diferentes, pero estudiarlos es difícil. Estas corrientes de materia son distantes y ver sus características es un desafío. Esto hace que sea extremadamente difícil rastrear la materia que se mueve a lo largo de su longitud para comprender cómo se lanza y acelera el chorro.

Sin embargo, un equipo internacional de astrónomos, entre ellos Thomas Russell, del Instituto Nacional de Astrofísica, INAF, Palermo, Italia, se dio cuenta de que ciertos tipos de estrellas de neutrones podrían estar abiertos a una nueva vía de investigación.

Las estrellas de neutrones son cadáveres estelares súpercompactos . Cuando está en órbita con otra estrella, el intenso campo gravitacional de la estrella de neutrones puede terminar extrayendo materia de su estrella compañera. Parte de esta materia acumulada es luego expulsada de alguna manera en chorros que se alejan a lo largo del eje de rotación de la estrella de neutrones, y el resto de la materia cae en espiral hacia la estrella de neutrones. Allí se acumula como una capa en la superficie. A medida que más y más material llueve sobre la estrella de neutrones, el campo gravitacional la comprime hasta que se inicia una explosión nuclear descontrolada. Esto crea un evento cataclísmico conocido como explosión de rayos X tipo I.

El equipo razonó que esta repentina liberación de materia y energía de la superficie de la estrella de neutrones afectaría al chorro y que podrían medir esta perturbación a medida que se propagaba hacia el exterior. De ser así, proporcionaría un método nuevo y poderoso para estudiar estos eventos violentos y enérgicos. Actualmente conocemos alrededor de 125 estrellas de neutrones que se comportan de esta manera. 

"Básicamente, esto nos proporciona un experimento perfecto", dice Thomas. "Tenemos un impulso muy breve y de corta duración de material adicional que se dispara hacia el chorro y que podemos rastrear a medida que desciende por el avión para conocer su velocidad".

En la búsqueda

Esta es una medida crucial porque una vez que se han estudiado suficientes estrellas de neutrones en acreción, la velocidad del chorro puede revelar el mecanismo de lanzamiento dominante y mostrar si el chorro está impulsado por campos magnéticos anclados en el material en acreción o en la propia estrella. El equipo identificó dos estrellas de neutrones, llamadas 4U 1728-34 y 4U 1636-536 respectivamente, que mostraban un comportamiento de explosión de rayos X. Sin embargo, sólo 4U 1728-34 demostró ser lo suficientemente brillante en longitudes de onda de radio en ese momento para llevar a cabo el experimento con el detalle necesario.

Entonces surgió un problema práctico. Si bien las explosiones eran visibles en rayos X, el chorro sólo emitía ondas de radio. Por lo tanto, el equipo necesitaba coordinar las observaciones del radiotelescopio en la Tierra para que se realizaran simultáneamente con las del satélite Integral, que es capaz de ver en rayos X. Pero era imposible predecir exactamente cuándo iba a tener lugar una de estas explosiones.

“Estos estallidos se repiten cada dos horas, pero no se puede predecir exactamente cuándo ocurrirán. Por lo tanto, hay que mirar el sistema durante mucho tiempo con los telescopios y esperar captar un par de ráfagas”, dice el miembro del equipo Jakob van den Eijnden, de la Universidad de Warwick, Reino Unido.

Las observaciones de radio se realizaron durante tres días con  el Australia Telescope Compact Array (ATCA) de CSIRO , registrando un total de alrededor de 30 horas de observación entre el 3 y el 5 de abril de 2021. Integral observó integral desde el espacio. Fue la única misión de alta energía capaz de mantener esta larga vigilia. Su órbita grande y alargada le permitía mirar fijamente el objeto celeste durante muchas horas seguidas. Al final de las observaciones, Integral había capturado 14 ráfagas de rayos X de 4U 1728-34, de las cuales 10 ocurrieron cuando la fuente era visible para la ATCA.

Pero hubo una gran sorpresa. “Basándonos en lo que habíamos visto anteriormente en datos de rayos X, pensábamos que la explosión destruiría el lugar desde donde se lanzaba el chorro. Pero vimos exactamente lo contrario: una fuerte entrada en el chorro en lugar de una interrupción”, dice Nathalie Degenaar, miembro del equipo, de la Universidad de Ámsterdam, Países Bajos.

Claramente, el mecanismo del chorro era más robusto de lo que se pensaba. Ser capaz de seguir la materia extra inyectada por el chorro en longitudes de onda de radio permitió al equipo calcular que el material se estaba lanzando a un increíble 35-40% de la velocidad de la luz.

"Nunca antes habíamos podido anticipar y observar directamente cómo una cierta cantidad de gas se canalizaba hacia un chorro y se aceleraba hacia el espacio", afirma Erik Kuulkers, miembro del equipo y científico del proyecto de la ESA.

Un nuevo método para estudiar los chorros

Habiendo demostrado ahora que esto es posible, la técnica permitirá a los astrónomos estudiar muchas más estrellas de neutrones que explotan en rayos X. Esto les ayudará a comprender y conectar el lanzamiento de chorros con características específicas de las estrellas de neutrones, como su velocidad de rotación y la cantidad de gas que cae sobre su superficie. Para quienes estudian tales fenómenos, estas son las preguntas urgentes. Responderlas afectará los estudios más allá de las estrellas de neutrones porque muchos objetos astronómicos crean chorros.

Desde estrellas recién formadas hasta agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias, eventos catastróficos como explosiones de supernovas y estallidos de rayos gamma también pueden producir chorros. Desempeñan un papel importante en todo el Universo, desde transportar elementos exóticos sintetizados en explosiones cósmicas al espacio interestelar hasta calentar las nubes de gas circundantes que alterarán cómo y dónde se pueden formar nuevas estrellas.

Dado que se cree que todos los chorros astrofísicos se lanzan de manera similar, es decir, mediante la interacción de la materia con los campos magnéticos de los objetos celestes en rotación, los nuevos resultados tendrán una amplia aplicabilidad en muchos estudios del cosmos. "Este resultado abre una ventana completamente nueva para comprender cómo se activan los chorros astrofísicos, en las estrellas de neutrones y también en otros objetos astronómicos que producen chorros", afirma Erik.

Notas para editores

' Las explosiones termonucleares en estrellas de neutrones revelan la velocidad y alimentación de sus chorros ' se publica en Nature . DOI: 10.1038/s41586-024-07133-5

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Publicado en ESA el 27 de marzo del 2024, enlace publicación.