Aclaran el enigma del púlsar que dejó de emitir señales de radio

A finales de junio de 2013, un sistema binario excepcional que contenía una estrella de neutrones de giro rápido experimentó un cambio drástico en su comportamiento, un cambio que nunca antes había sido observado. La “baliza” de radio del púlsar desapareció, mientras que al mismo tiempo el sistema quintuplicaba su brillo en la banda de los rayos gamma (la forma de luz más potente), según las mediciones realizadas por el Telescopio Espacial Fermi de rayos gamma, de la NASA.

 

Tal como explica Benjamin Stappers, astrofísico de la Universidad de Manchester, en el Reino Unido, quien lideró la iniciativa internacional para investigar esta llamativa transformación, fue casi como si alguien hubiera accionado un interruptor, conmutando el sistema desde un estado de baja energía hacia otro de alta energía.

 

El cambio parece reflejar una interacción errática entre el púlsar y su compañera. Una nueva investigación parece que ha aclarado cuál es el mecanismo exacto que provoca estas raras transformaciones.

 

Los sistemas binarios típicos constan de dos estrellas orbitando alrededor de un centro de masas común. Este sistema, conocido como AY Sextantis, está situado a unos 4.400 años-luz de distancia, en la Constelación del Sextante. Uno de los miembros de la pareja es un púlsar (un cadáver estelar ultradenso, aunque sin llegar a la densidad de un agujero negro) cuya rotación es de 1,7 milisegundos, llamado PSR J1023+0038 (J1023 para resumir). El otro miembro es una estrella cuya masa es de aproximadamente una quinta parte de la del Sol. Ambos astros completan una órbita en sólo 4,8 horas, lo que las coloca tan cerca una de la otra que el púlsar evaporará gradualmente a su compañera.

 

Cuando una estrella masiva se derrumba sobre sí misma y explota como una supernova, su núcleo colosalmente prensado puede sobrevivir como un cadáver estelar compacto llamado estrella de neutrones o púlsar, un objeto que concentra más masa que la del Sol en una esfera de diámetro no mayor que la extensión de Washington, D.C. de extremo a extremo. Las estrellas de neutrones jóvenes y aisladas (que no forman parte de una pareja) dan decenas de vueltas sobre sí mismas cada segundo y generan haces de ondas de radio, luz visible, rayos-X y rayos gamma que los astrónomos observan como pulsos cada vez que estos barren la Tierra, como la luz de un faro marítimo cuando ilumina directamente a un observador. Los púlsares generan también poderosos “vientos” de partículas de alta energía que se mueven a una velocidad cercana a la de la luz. La energía para todo ello procede del campo magnético del púlsar, que gira muy rápidamente, y con el paso del tiempo, a medida que los púlsares pierden brío, sus emisiones disminuyen.

 

Hace más de 30 años, los astrónomos descubrieron otro tipo de púlsar dando una vuelta completa sobre sí mismo cada 10 milisegundos o menos, alcanzando velocidades de rotación de hasta 43.000 rpm. Mientras que los púlsares jóvenes aparecen normalmente aislados, más de la mitad de los púlsares del orden del milisegundo están en sistemas binarios, lo que sugirió una explicación para su rápida rotación. Los astrónomos han sospechado desde hace tiempo que lo que hacía girar más rápido a los púlsares del orden del milisegundo era la transferencia y acumulación de materia procedente de sus estrellas compañeras.

 

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Estas ilustraciones muestran un modelo del púlsar J1023 antes (arriba) y después (abajo) de que desapareciera su “baliza” de radio (verde). Normalmente, el viento del púlsar obstaculiza el avance de la corriente de gas de la compañera. Cuando dicha corriente reaparece, se forma un disco de acreción, y los chorros de partículas de los que brotan rayos gamma (magenta) oscurecen el haz de ondas de radio. (Imagen: Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA)

 

Durante la etapa inicial de transferencia de masa, el sistema estaría considerado como una binaria de baja masa y rayos-X, con una estrella de neutrones de giro cada vez más lento emitiendo pulsos de rayos-X a medida que gas caliente se acelerase hacia su superficie. Mil millones de años después, cuando el flujo de materia se detuviese, el sistema sería clasificado como púlsar con rotación del orden del milisegundo y velocidad de giro cada vez más rápida, cuyas  emisiones de radio son alimentadas por un campo magnético de rápida rotación.

 

Para entender mejor la evolución rotacional y orbital de J1023 y su evolución orbital, el sistema fue vigilado de forma regular en las ondas de radio, utilizando el radiotelescopio Lovell, del Observatorio de Jodrell Bank en el Reino Unido, y el radiotelescopio WSRT (Westerbork Synthesis Radio Telescope) en los Países Bajos.

 

Estas observaciones revelaron que la señal de radio del púlsar se había apagado, y a partir de aquí se ha investigado hasta llegar a las conclusiones ahora expuestas.

 

En J1023, las estrellas están lo bastante próximas como para que un chorro de gas fluya de la estrella parecida al Sol hacia el púlsar. La rápida rotación de este último y su intenso campo magnético son los responsables tanto del haz de ondas de radio como de su potente viento de partículas de alta energía.

 

El gas en el disco se comprime y calienta, alcanzando temperaturas lo bastante altas como para emitir rayos-X. A continuación, el material a lo largo del borde interno del disco pierde rápidamente energía orbital y desciende hacia el púlsar. Cuando ha caído hasta una altitud de unos 80 kilómetros (unas 50 millas) con respecto a la superficie del púlsar, los procesos implicados en la creación de haces de ondas de radio se detienen o, más probablemente, son “oscurecidos” o contrarrestados.

 

El borde interior del disco podría fluctuar considerablemente a esta altitud. Parte de él podría verse acelerado hacia fuera a casi la velocidad de la luz, formando dos chorros de partículas (uno en cada polo) saliendo disparados en direcciones opuestas, un fenómeno asociado más habitualmente con los vórtices de materia alrededor de los agujeros negros. Las ondas de choque dentro y a lo largo de la periferia de estos chorros son seguramente la fuente de la brillante emisión de rayos gamma detectada por el Telescopio Espacial Fermi.

 

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