miércoles, 23 de julio de 2014

Fermi encuentra un púlsar "Transformer"


A finales de junio de 2013, un sistema binario excepcional que contiene una estrella de neutrones que gira rápidamente sufrió un cambio dramático en su comportamiento nunca antes observado. La radiobaliza del púlsar se desvaneció, mientras que al mismo tiempo el sistema iluminó por cinco la emisión en rayos gamma, la forma más poderosa de luz, de acuerdo a las mediciones realizadas por el telescopio espacial Fermi de la NASA.

"Es casi como si alguien accionó un interruptor, pasando de un sistema en un estado de menor energía a uno de mayor energía", dijo Benjamin Stappers, astrofísico de la Universidad de Manchester, Inglaterra, que lideró un esfuerzo internacional para entender esta sorprendente transformación. "El cambio parece reflejar una interacción errática entre el púlsar y su compañero, que nos permite tener la oportunidad de explorar una fase de transición rara en la vida de esta binaria."


Una binaria es un sistema formado por dos estrellas que orbitan alrededor de su centro de masas común. Este sistema, conocido como AY Sextantis, se encuentra a unos 4.400 años luz de distancia en la constelación del Sextante y empareja a un púlsar de 1,7 milisegundos llamado PSR J1023 +0038 con una estrella que contiene aproximadamente una quinta parte de la masa del Sol. Las estrellas completan una órbita en sólo 4,8 horas, lo que las sitúa tan juntas que el púlsar evaporará gradualmente a su compañera.

Cuando una estrella masiva colapsa y explota como una supernova, su núcleo comprimido puede sobrevivir como un remanente estelar compacto llamado estrella de neutrones o un púlsar, un objeto compacto con más masa que el Sol pero con el tamaño de una esfera no más grande que Washington, DC . Las jóvenes estrellas de neutrones aisladas giran decenas de veces cada segundo y generan haces de radio, luz visible, rayos X y rayos gamma que los astrónomos observan en forma de pulsos cada vez que los haces apuntan hacia la Tierra. Los púlsares también generan flujos de salida de gran alcance, o "vientos" de partículas de alta energía que se desplazan cerca de la velocidad de la luz. El poder para todo esto proviene de campos magnéticos que giran rápidamente con el púlsar, y con el tiempo, como los púlsares rotan cada vez más despacio, estas emisiones se desvanecen.

Hace más de 30 años, los astrónomos descubrieron otro tipo de púlsar que gira en 10 milisegundos o menos, alcanzando velocidades de giro de hasta 43.000 rpm. Mientras que los púlsares jóvenes suelen aparecer de forma aislada, más de la mitad de los púlsares de milisegundos se producen en sistemas binarios, lo que sugiere una explicación para su rápido giro.

"Los astrónomos han sospechado durante mucho tiempo que los pulsares de milisegundos fueron activados a través de la transferencia y la acumulación de la materia de sus estrellas compañeras, por lo que a menudo se refieren a ellos como los pulsares reciclados", explicó Anne Archibald, investigadora postdoctoral en el Instituto Holandés de Radioastronomía (ASTRON) en Dwingeloo, quien descubrió J1023 en 2007. Durante la etapa inicial de transferencia de masa, el sistema podría calificarse como una binaria de rayos X de baja masa, con una estrella de neutrones más lenta que gira emitiendo pulsos de rayos X en forma de gas caliente hacia su superficie. Mil millones de años más tarde, cuando el flujo de la materia llega a su fin, el sistema sería clasificado como un púlsar de milisegundos hilado con las emisiones de radio accionadas por un campo magnético que gira rápidamente.

Para entender mejor el giro de J1023 y su evolución orbital, el sistema se controló regularmente en radio con el Telescopio Lovell en el Reino Unido y el Radio Telescopio de Síntesis Westerbork en Holanda. Estas observaciones revelaron que la señal de radio del púlsar se había apagado, lo que ha llevado a la búsqueda de un cambio asociado en sus propiedades de rayos gamma.

Unos meses antes de esto, los astrónomos encontraron un sistema mucho más distante que volcó entre los estados de radio y de rayos X, en cuestión de semanas. Situado en M28, un cúmulo globular estelar a unos 19.000 años luz de distancia, el pulsar conocido como PSR J1824-2452I sufrió una explosión de rayos X en marzo y abril de 2013. Dado que la emisión de rayos X se atenuado a principios de mayo, el haz de radio del púlsar surgió de nuevo.

Aunque J1023 alcanzó energías mucho más altas y está considerablemente más cerca, ambos binarios son por lo demás bastante similares.

En J1023, las estrellas están tan cerca que una corriente de gas fluye desde la estrella similar al Sol hacia el púlsar. La rápida rotación del púlsar y el intenso campo magnético son responsables tanto el haz de radio como del poderoso viento del púlsar. Cuando el haz de radio es detectable, el viento del púlsar retiene corrientes de gas de la compañera, evitando que se aproximen muy cerca. Pero de vez en cuando el flujo generado por las fuerzas de mareas, abren paso más cerca del púlsar y se produce el establecimiento de un disco de acreción.

El gas en el disco se comprime y se calienta, alcanzando temperaturas lo suficientemente calientes como para emitir rayos-X. A continuación, el material a lo largo del borde interior del disco pierde rápidamente la energía orbital y desciende hacia el pulsar. Cuando cae a una altitud cercana 50 millas (80 km), los procesos involucrados en la creación del haz de radio están bien cerrados o, más probablemente, tapados.

El borde interior del disco probablemente fluctúa considerablemente a esta altitud. En parte, puede llegar a ser acelerado hacia afuera a casi la velocidad de la luz, formando chorros de partículas duales que se disparan en direcciones opuestas, en un fenómeno más típicamente asociado con la acreción de agujeros negros. Las ondas de choque dentro y a lo largo de la periferia de estos chorros son una fuente probable de la brillante emisión de rayos gamma detectados por Fermi.

Los hallazgos fueron publicados en la edición del 20 de julio de The Astrophysical Journal. El equipo informa que J1023 es el primer ejemplo de un sistema binario compacto transitorio de baja masa, de rayos gamma jamás visto. Los investigadores anticipan que el sistema servirá como un laboratorio único para la comprensión de cómo se forman los púlsares de milisegundos y para el estudio de los detalles de cómo la acumulación tiene lugar en las estrellas de neutrones.

"Hasta ahora, Fermi  ha incrementado el número de púlsares de rayos gamma conocidos por cerca de 20 veces y ha duplicado el número de púlsares de milisegundos dentro de nuestra galaxia", dijo Julie McEnery, científica del proyecto para la misión en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt , Maryland. "Fermi sigue siendo un motor increíble para los descubrimientos de púlsares."



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