pulsars

Las enanas blancas y los púlsares representan distintas clases de objetos compactos que se generan al morir una estrella. Una enana blanca se forma cuando una estrella de masa similar a nuestro Sol se queda sin su combustible nuclear. Las capas externas se expulsan al espacio y el núcleo se contrae hacia una esfera del tamaño de la Tierra pero con una masa como la de nuestro Sol. Con nada que sostener reacciones nucleares, lentamente se enfrían hasta finalizar como enanas negras.

Un púlsar es un tipo de estrella de neutrones, un núcleo colapsado de una estrella muy masiva que explotó en supernova. También son objetos densos y compactos, pero en una escala mayor que las enanas blancas: cerca de 1.3 masas solares en una esfera del tamaño de una ciudad. Los púlsares emiten pulsaciones de radio y rayos-X.

El equipo que realizó el descubrimiento, liderado por Yukikatsu Terada no esperaba encontrar una enana blanca pulsante. Por el contrario, los astrónomos esperaban averiguar si las enanas blancas pueden acelerar partículas subatómicas cargadas cerca de la velocidad de la luz, es decir, si pueden ser responsables de los rayos cósmicos.

Algunas enanas blancas, incluída AE Aquarii, rotan muy rápidamente y tienen campos magnéticos millones de veces más fuertes los de la Tierra. Estas características les proporciona energía como para generar rayos cósmicos.

Para saber si esto está ocurriendo, Terada y sus colegas apuntaron a la enana blanca con Suzaku en octubre de 2005 y octubre de 2006. La enana blanca reside en un sistema binario con una estrella compañera normal. Gas de la compañera cae hacia la enana blanca y la calienta, generando un resplandor de baja energía de rayos-X. Pero Suzaku también detectó pulsos de fuertes rayos-X. Luego de analizar los datos, el equipo notó que esos rayos concuerdan con el período de rotación de la enana blanca, de uno cada 33 segundos.

Estas pulsaciones son similares a las del púlsar en el centro de la Nebulosa del Cangrejo. En ambos objetos, los pulsos parecen ser radiados por un faro de luz y se piensa que un campo magnético rotatorio controla el rayo. Los astrónomos piensan que los muy poderosos campos magnéticos están atrapando partículas cargadas y luego arrojándolas a una velocidad cercana a la de la luz. Cuando las partículas interactúan con el campo magnético, emiten rayos-X.

“AE Aquarii parece ser una enana blanca equivalente a un púlsar”, dice Terada. “Como los púlsares pueden ser fuentes de rayos cósmicos, significa que las enanas blancas podrían ser aceleradoras de partículas, contribuyendo a muchos de los rayos cósmicos de baja energía de nuestra galaxia”.
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Lanzado en 2005, Suzaku es el quinto de una serie de satélites japoneses dedicados al estudio de fuentes de rayos-X. Manejado por la Agencia Espacial Japonesa (JAXA).

Se trata del sistema doble pulsar PSR J0737-3039A y B, está a 2000 años luz de distancia en la dirección de la constelación Puppis. Consiste en dos masivas, muy compactas estrellas de neutrones, cada una de las cuales pesa más que nuestro Sol pero de sólo 20 km de diámetro, orbitan la una a la otra cada 2.4 horas a velocidades del millón de kilómetros por hora. Separadas por una distancia de sólo un millón de kilómetros, ambas estrellas de neutrones pulsaciones de radio-ondas. Es el único sistema conocido de dos radio pulsars detectables orbitándose mutuamente. Dado las grandes masas del sistema proveen una oportunidad ideal para probar aspectos de la Relatividad General:
Corrimiento al rojo gravitacional: la dilatación de tiempo causa la lentitud de la tasa de pulsación de un pulsar cuando está cerca del otro.

Retraso Shapiro: Los pulsos de un pulsar cuando pasa cerca del otro son retrasados por la curvatura del espacio-tiempo. Las observaciones proveen dos tests de la Relatividad General usando diferentes parámetros.

Radiación gravitacional y decaimiento orbital: Las dos co-rotantes estrellas de neutrones pierden energía dada la radiación de las ondas gravitacionales. Esto resulta en un espiralamiento de las dos estrellas entre ellas hasta un eventual colpaso en un único cuerpo.

Midiendo precisamente las variaciones del arribo del pulso usando tres de los más grandes telescopios del mundo, el Lovell en Jodrell Bank, los radio-telescopios Parkes en Australia y el Robert C. Byrd Green Bank Telescope en Virginia Oeste, USA, los investigadores encontraron que el movimiento de las estrellas sigue predicciones exactas de Einstein. “Este es el test más riguroso alguna vez hecho de la Relatividad General en presencia de dos campos gravitacionales muy poderosos -sólo un agujero negro muestra efectos gravitacionales mayores, pero son obviamente mucho más difíciles de observar”, dijo Kramer.

Los magnetares son versiones especialmente energéticas de las estrellas de neutrones, que son remanentes de estrellas comunes a las que se les agotó su combustible.

“Antes de nuestra detección había teorías que explicaban por qué no era posible obtener emisiones de radio de los magnetares; obviamente, estas teorías son ahora incorrectas”, dijo Fernando Camilo del Laboratorio de Astrofísica Columbia, de la Universidad de Columbia, en Nueva York.

XTE J1810-197 fue detectada cuando ‘cobró vida’ abruptamente, con un intenso estallido de rayos-X. Después, en 2004, algunos astrónomos descubrieron que el objeto emitía ondas de radio usando el radiotelescopio VLA (Very Large Array) de la Fundación Nacional para la Ciencia NSF, de los EE.UU.

Para explicar la anomalía, los científicos supusieron que las ondas de radio provenían de una nube de partículas desprendidas de la estrella de neutrones en el momento del estallido de rayos-X. Pronto se comprobó que esta teoría era incorrecta al descubrir, Camilo y sus colegas, que XTE J1810-197 emitía fuertes pulsaciones de radio cada 5,5 segundos, que corresponde al ritmo de rotación estimado de este magnetar.

El equipo de investigadores sospecha que el intensísimo campo magnético del magnetar se está retorciendo, provocando que las corrientes eléctricas que fluyen a lo largo de sus líneas de campo cambien de posición. Creen que estas corrientes están generando los pulsos de radio.

“Quizá aún más sorprendentes eran las características de esta emisión, que difieren en muchos aspectos significativos de las emisiones de púlsares ‘normales’”, expresó el Dr. Camilo. Por ejemplo, el brillo de los pulsos de radio varía de un día a otro, un fenómeno que no se da en los aproximadamente 1.700 púlsares conocidos.

“Para mí, una de las características más espectaculares de la emisión es que su espectro es aparentemente plano”, dijo Camilo. Eso significa que su brillo es el mismo en todas las frecuencias observadas, en todo el rango desde los 350 MHz hasta los 140 GHz. “Un púlsar típico sería unas 15.000 veces más débil a frecuencias altas que a bajas, así que no se detectaría. Sería demasiado débil”, agregó Camilo.

De hecho, 140 GHz es la frecuencia más alta que se haya detectado en una estrella de neutrones, lo que hace a XTE J1810-197 la estrella de neutrones más brillante conocida.

Los hallazgos se presentaron en la Asamblea de la Unión Astronómica Internacional en Praga, y aparecen publicados en el número del 24 de agosto de 2006 de la revista Nature.

Las magnetoestrellas son versiones especialmente energéticas de las estrellas de neutrones, que son los remanentes de extrellas ordinarias consumidas.

El reciendte avistamiento, basado en el radiotelescopio Parkes de Australia, está haciendo que se replanteen las teorías fundamentales sobre estas estrellas extremas.

“Antes de nuestra detección había teorías que explicaban por qué no era posible obtener emisiones de radio de magnetoestrellas; obviamente, estas teorías son ahora incorrectas”, dijo Fernando Camilo del Laboratorio Columbia de Astrofísica en la Universidad de Columbia, Nueva York.

Los hallazgos se detallan en el número del 24 de agosto de la revista científica Nature.

Identificada como XTE J1810-197, la magnetoestrella fue detectada por primera vez por el Explorador Temporizador de rayos-X Rossi (Rossi X-Ray Timing Explorer) de la NASA en 2003, cuando el objeto ‘cobró vida’ abruptamente con un intenso estallido de rayos-X. Después, en 2004, algunos astrónomos descubrieron que el objeto emitía ondas de radio usando el radiotelescopio … (Very Large Array) de la Fundación Científica Nacional.

Para explicar la anomalía, los científicos supusieron que las ondas de radio provenían de una nube de partículas desprendidas de la estrella de neutrones en el momento del estallido de rayos-X. Pronto se comprobó que esta teoría era incorrecta, al descubrir Camilo y sus colegas que XTE J1810-197 emitía fuertes pulsaciones de radio cada 5,5 segundos, que corresponde al ritmo de rotación estimado de esta magnetoestrella.

El equipo de investigadores sospecha que el intensísimo campo magnético de la magnetoestrella se está retorciendo, provocando que las corrientes eléctricas que fluyen a lo largo de sus líneas de campo cambién de posición. Creen que estas corrientes están generando los pulsos de radio.

Balizas luminosas

Como sus primos galácticos, los radiopúlsares, las magnetoestrellas son un tipo de estrella de neutrones giratoria que se cree que resulta de la muerte explosiva, o supernova, de una estrella masiva. Estas estrellas de neutrones giratorias emiten una corriente constante de partículas electromagnéticas por sus polos magnéticos. Al girar la estrella rápidamente alrededor de su eje, las partículas, que viajan a velocidades próximas a la de la luz, hacen un barrido del espacio, como un faro. Cuando brillan en dirección a la Tierra, los astrónomos recogen estos chorros en forma de pulsos usando telescopios de rayos-X y radiotelescopios.

El potente campo magnético de las magnetoestrellas implica que a medida que el campo decae la estrella emite radiación de alta energía en forma de rayos-X. “El campo magnético de una magnetoestrella haría que un portaaviones girase y apuntase al norte más rápido que la aguja de una brújula en el Tierra”, dijo David Helfand de la Universidad de Columbia.

Más hallazgos asombrosos

Observando más, los investigadores están hallando aún más características extrañas de este faro celeste.

“Quizá aún más sorprendentes eran las características de esta emisión, que difieren en muchos aspectos significativos de las emisiones de púlsares ‘normales’”, dijo Camilo. Por ejemplo, el brillo de los pulsos de radio varía de un día a otro, un fenómeno que no se da en los aproximadamente 1 700 púlsares conocidos.

Otra sorpresa: La ayoría de los púlsares se vuelven más débiles a frecuencias más altas.

“Para mí, una de las características más espectaculares de la emisión es que su espectro es aparentemente plano”, dijo Camilo. Eso significa que su brillo es el mismo en todas las frecuencias observadas, en todo el rango desde los 350 megaherzios hasta los 140 gigaherzios. “Un púlsar típico sería unas 15 000 veces más débil a frecuencias altas que a bajas, así que no se detectaría. Sería demasiado débil”, dijo Camilo.

De hecho, 140 GHz es la frecuencia más alta que se haya detectado en una estrella de neutrones, lo que hace a XTE J1810-197 la estrella de neutrones conocida más brillante.

Acto final

Camilo no espera sin embargo que el espectáculo luminoso dure para siempre. Como los rayos-X, que se han desvanecido desde el estallido de 2003, los pulsos de radio se irán debilitando hasta desaparecer con toda probabilidad al ralentizarse la rotación de la estrella.

“Podría ser el mes que viene, que es por lo que hemos estado recogiendo datos como locos con todos los telescopios de los que hemos podido echar mano, por si acaso desaparece rápidamente, y también porque es tan interesante. O podría se dentro de 100 años”, dijo Camilo.

¿Esperan los astrónomos encontrar más magnetoestrellas extrañas como esta? “Veremos”, dijo uno de los co-autores, John Reynolds, oficial al cargo en el observatorio CSIRO Parkes. “Este decubrimiento indudablemente aumentará el interés entre los astrónomos de todo el mundo que estudian los púlsares por observar magnetoestrellas. Sería un poco sorprendente si no se detectaran más en los próximos meses”.

Y los investigadores dicen que esto hacer surgir dudas con respecto a si los así llamados agujeros negros son, en realidad, tal cosa.

Los astrónomos están dejando de lado el concepto, honrado por el tiempo, de un agujero negro: un gran objeto que se compacta a sí mismo bajo su propia gravedad, hasta alcanzar un punto infinitamente denso con una fortaleza gravitatoria tal que nada puede escapar de su abrazo.

En cambio, los investigadores están dibujando un cuerpo de un tamaño definido, y con una propiedad sorprendente: gradualemente se encierra a sí mismo en un espacio cada vez menor, por toda la eternidad, pero que nunca alcanza el tamaño infinitamente pequeño de un agujero negro.

En el estudio, Rudy Schild del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica en Cambridge, Massachusetts, y sus colegas, escudriñaron un objeto de un tipo estupendamente luminoso, conocido como cuásar.

Los cuásares, según concuerda la mayoría de los astrónomos, son los centros de galaxias muy lejanas.

Tradicionalmente, los astrónomos describen al corazón de un cuásar como un disco de gas que cae en espiral hacia un agujero negro súper-masivo, que se alimenta de él. La luminosidad proviene del gas, que se calienta a medida que corre hacia dentro. Una parte de él sale disparada en dos chorros que se dirigen en direcciones opuestas.

Los cuásares aparecen únicamente en los más lejanos confines del universo conocido. Los astrónomos razonan que esto es así porque existieron solamente en el más lejano pasado. Las áreas más lejanas son aquellas en que vemos al cosmos tal como era hace mucho tiempo, porque la luz se tarda mucho en llegar desde esos lugares hasta nosotros.

También existen estructuras similares a los cuásares en el universo más reciente (y, por lo tanto, más cercano). Persisten como los “agujeros negros” que también se cree que existen en el centro de la mayoría de las galaxias. Pero son mucho menos luminosos que los cuásares. Los científicos creen que esto es así porque han consumido casi todo el gas disponible.

Los teóricos han batallado para comprender el funcionamiento de los chorros y los discos de los cuásares (llamados discos de acreción). También ha resultado difícil para los observadores el estudiar los corazones de los cuásares, porque estas regiones son muy compactas y están muy lejos.

El grupo de Schild estudió un cuásar designado como Q0957+561, que se encuentra a unos 9 mil millones de años luz de distancia en la constelación de la Osa Mayor. Un año luz es la distancia que la luz recorre en un año.

El cuásar contiene un objeto central compacto con una masa equivalente a unos 3 o 4 mil millones de Soles. La mayoría de los científicos cree que es un agujero negro, pero Schild dice que sus hallazgos sugieren otra cosa: sorprendentemente, es magnético, a diferencia de un agujero negro.

Visión doble

Los investigadores escogieron a Q0957+561 porque está asociado con una así llamada lente cósmica. La teoría de la relatividad de Einstein sostiene que la gravedad de una galaxia curva el espacio cercano a ella. También actúa como una especie de lente, curvando la luz. El resultado de esto son dos imágenes de un cuásar distante y aumenta su luminosidad. Las estrellas y los planetas que están dentro de la galaxia también afectan la luz del cuásar, un fenómeno relacionado al que se conoce como “micro-lente gravitatoria”.

“Con la micro-lente gravitatoria, podemos discernir más detalles de este así llamado “agujero negro” que se encuentra a dos tercios de distancia del borde del universo observable, que del agujero negro que se encuentra en el centro de la Vía Láctea”, nuestra galaxia, dijo Schild. El científico monitoreó la luminosidad del cuásar a lo largo de 20 años, junto a un consorcio internacional de observadores en 14 telescopios.

El equipo estudió el núcleo del cuásar, definiendo un lugar propuesto donde se forman los chorros, algo que 60 años de investigación pasada no han podido explicar, agregó Schild.

Su equpo calculó que los chorros provienen de dos regiones que son ambas unas 25 veces más grandes que la distancia entre el Sol y Plutón. Estas se ubican directamente sobre los polos del objeto central compacto, a unas 200 veces la distancia Sol-Plutón.

Únicamente un escenario propuesto puede explicar fácilmente estas ubicaciones, dijo Schild. El objeto central es magnético, e interactúa con el disco a través del campo magnético que lo rodea. A medida que gira, el campo se enrolla. Eventualmente, se arrolla tanto que se “rompe” explosivamente antes de re-formarse a sí mismo en una configuración más relajada. Estas roturas liberan energía que impulsa a los chorros.

Pero un agujero negro en un disco de acreción no puede tener su propio campo magnético, agregó Schild. Normalmente, esto es así porque un objeto en rotación puede ser magnético únicamente si lleva una carga eléctrica. Un agujero negro no puede sostener una carga así, porque cualquier agujero con carga absorbería inmediatamente suficiciente material cargado opuestamente como para cancelar su propia carga.

Encogiéndose eternamente

El problema desaparece, sostienen Schild y sus colegas, con el nuevo tipo de objeto compacto que ellos proponen, el así llamado Objeto Magnetosférico Eternamente Colapsante, o MECO (Magnetospheric Eternally Collapsing Object).

Este objeto, una variedad de un objeto cuya existencia fue propuesta originariamente por el físico indio Abhas Mitra a fines de la década de 1990, es uno que no difiere de un agujero negro, en que continuamente se encoge en un espacio cada vez más pequeño.

Pero nunca llega a ser un agujero negro. En cambio, su encogimiento se frena hasta ser casi imperceptible, pero continúa encogiéndose, tan lentamente que podría sostenerse a lo largo de varias veces la vida del universo. A diferencia de un agujero negro, un MECO tiene un tamaño definido. Más aún, los objetos “chupados” pueden, teóricamente, salir nuevamente, aunque con extrema dificultad.

El MECO, esencialemente una densa bola de plasma, genera continuamente campos magnéticos por medio de corrientes superficiales, lo que explica su magnetismo, según Schild. La investigación de su equipo fue publicada en el número de julio de The Astronomical Journal.

No será fácil que la teoría MECO gane una amplia aceptación entre los científicos, según dicen los astrónomos, dado que los agujeros negros han sido el escenario aceptado desde Einstein. Pero Mitra y algunos otros pocos teóricos sostienen que los agujeros negros no existen en realidad, son únicamente Objetos Eternamente Colapsantes.

Una comprobación más ajustada podría estar disponible prontamente para resolver la disputa. En un plazo de 10 años, dicen los astrónomos, la tecnología les permitirá observar el rasgo caracteristico de los agujeros negros, el “horizonte de sucesos” (u horizonte de eventos). Esta es el área que rodea a un agujero negro, dentro de la cual ningún objeto que caiga puede volver a salir.

Estas observaciones podrían tanto confirmar la existencia de los agujeros negros, o podrían hacer surgir nuevas preguntas sobre ellos si no se encontraran horizontes de sucesos allí donde se los esperara.

Por ahora, Schild dijo que no está disputando la existencia de todos los agujeros negros. Únicamente se está enfocando en Q0957+561. Su equipo quiere evitar “pretensiones infladas”, según escribió en un correo electrónico, ya que algunos críticos podrían utilizarlas para “desacreditar todo el cuerpo entero de trabajo”.