Los investigadores han descubierto una estrella de neutrones que por primera vez estalla como se predijo.
Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés)
Por primera vez, investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) y en otros lugares han detectado todas las fases de combustión termonuclear en una estrella de neutrones. La Estrella, localizada cerca del centro de la galaxia en el cúmulo globular Terzan 5, es un “estallido modelo” (model burster), dice Manuel Linares, un Post doctorado Kavli en el Instituto de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT.
Linares y sus colegas del MIT, de la Universidad de McGill, la Universidad de Minnesota y la Universidad de Amsterdam analizaron observaciones de rayos X del satélite X-ray Timing Explorer (RXTE), y descubrieron que la estrella es la primera de su tipo en estallar de la forma que los modelos predijeron. Además, el descubrimiento podría ayudar a explicar por qué dicha estrella modelo no se había detectado hasta ahora. Una revista académica se publicará en la edición del 20 de Marzo de The Astrophysical Journal (El Diario Astrofísico), con los detalles de los hallazgos del grupo.
“Estos son laboratorios extremos”, dice Linares. “Podemos estudiar la física fundamental observando lo que sucede en y alrededor de la superficie de las estrellas de neutrones”.
Un ambiente al rojo vivo
Las estrellas de neutrones surgen típicamente de un colapso de estrellas masivas. Estos restos son hechos casi totalmente de neutrones, y son increiblemente densos – alrededor de la masa del sol, pero comprimida en una esfera de solo unos pocos kilómetros de ancho. Por 3 décadas, astrofísicos han estudiado estrellas de neutrones para entender como se comporta la materia ultradensa.
En particular, los investigadores se han enfocado en las superficies extremadamente volátiles de las estrellas de neutrones. En un proceso llamado acreción, plasma al rojo vivo extraído de estrellas vecinas que llueven sobre la superficie de una estrella de neutrones con una fuerza increíble – equivalente a 100 kilogramos (220 libras) de materia estrellándose en un área del tamaño de una moneda cada segundo. A medida que más plasma cae, se forma una capa de combustible en la superficie de la estrella de neutrones que se acumula a un cierto nivel, entonces explota en una reacción de fusión termonuclear. Esta explosión puede ser detectada como rayos X en el espacio: Cuanto más grande es la explosión, mayor será la intensidad de los rayos X, que puede ser medida como un pico en los datos de satélite.
Los investigadores han desarrollado modelos para predecir cómo una estrella de neutrones debe explotar, basado en que tanto plasma la estrella esta atrayendo a su superficie. Por ejemplo, mientras más y más plasma cae sobre una estrella de neutrones, las explosiones deben ocurrir más frecuentemente, resultando en más picos de rayos X. Los modelos han pronosticado que en las más altas tasas de acreción de masa, el plasma cae a una velocidad tan alta que la fusión termonuclear es estable, y se produce continuamente. sin explosiones gigantes.
Sin embargo, en la últimas décadas, según observaciones de rayos X cerca de 100 estrellas de neutrones que están estallando han fallado para validar estas predicciones teóricas.
“Desde finales de los 70, vimos sobre todo explosiones a bajas tasas de acreción de masa, y pocos o ningún estallido en las altas tasas de acreción de masa”, dijo Linares. “Debe estar sucediendo, pero desde hace tres décadas, no lo veíamos. Ese es el rompecabezas”.
Los picos en los datos
A finales de 2010, el satélite RXTE detectó picos de rayos X de un sistema estelar binario – dos estrellas ligadas por gravedad y orbitando cerca una de la otra – en Terzan 5. Linares y sus colegas obtuvieron datos desde el satélite y analizaron los datos buscando picos característicos.
El equipo encontró que las estrellas de neutrones del sistema, en efecto exhiben patrones de rayos X consistente con bajas tasas de acreción de masa, en la que el plasma cayó lentamente a la superficie. Estos patrones parecían grandes picos en los datos, separados por largos períodos de poca actividad.
Para su sorpresa, los investigadores encontraron evidencia de mayores tasas de acreción de masa, donde más plasma cae con mayor frecuencia – pero en estos casos, los datos de rayos X mostraron pequeños picos, espaciados mucho más cerca. Incluso todavía más altos, los datos parecían nivelarse, pareciendo una onda oscilando. Linares interpretó esta última observación como un signo de quema marginalmente estable: una etapa donde una estrella de neutrones que atrae plasma a su superficie a una velocidad tan alta que reacciones de fusión nuclear toman lugar uniformemente a través de la capa de plasma, sin exhibir grandes explosiones o picos.
“Vimos exactamente la evolución que la teoría predice, por primera vez”, dice Deepto Chakrabarty, profesor de física en MIT y miembro del equipo de investigadores. “Pero la pregunta es, ¿porqué no vimos eso antes?”.
Vuelta, vuelta, vuelta.
El equipo pronto identificó una posible explicación comparando la estrella de neutrones con otras que han sido estudiadas en el pasado. La gran diferencia que encontraron fue que la estrella de neutrones en cuestión mostró un ritmo mucho más lento de rotación. Aunque la mayoría de estrellas de neutrones giran vertiginosamente de 200 a 600 veces por segundo, esta nueva estrella gira mucho más lentamente, a 11 revoluciones por segundo.
El grupo razonó que para predecir el comportamiento explosivo, los modelos existentes han fallado en considerar el período de rotación de la estrella. La razón de que esta nueva estrella coincide con los modelos tan bien, dice Linares, es porque su tasa de rotación es casi despreciable.
Todavía no está claro exactamente cómo la rotación afecta la combustion termonuclear, aunque Linares tiene una corazonada: La rotación puede causar fricción entre capas de plasma y la superficie de una estrella de neutrones.
“Eso es algo que necesitamos mirar”, dice Linares. “Y ahora, los modelos tienen que incorporar la rotación y tendrán que explicar exactamente cómo funciona la física”.
Coleman Miller, profesor de astronomía en la Universidad de Maryland, está de acuerdo en que la rotación puede ser el factor más importante que los modelos han pasado por alto. Sin embargo, el dice que diseñando modelos con la rotación en mente es una hazaña increíblemente intensiva de datos, dado que la fusión termonuclear a menudo se produce con una rapidez increíble, en pequeñas áreas de una estrella de neutrones.
“Si vas a modelar completamente una explosión, tienes que resolver microsegundos y centímetros”, dice Miller, quien no tomó parte en la investigación. “Ningún ordenador ha sido diseñado para esto. Así que estas son sugerencias interesantes y probables, pero va a ser profundamente difícil confirmar en una forma definitiva”.
Reimpreso con permiso de MIT News.
Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)