martes, 22 de diciembre de 2009

19 Estrellas de Neutrones y Los Rayos X y Gamma

 M irado desde el punto de vista del astrónomo y del astrofísico quizás una de las propiedades más bellas de las estrellas de neutrones sea la capacidad que tienen para generar rayos X y gamma.

Puppis

Hoy día, se cuenta con varios satélites orbitando a la Tierra cuya misión es la de monitorear el espacio para detectar fuentes de emisión de rayos cósmicos, llámense X o gamma. Ya de finales de la década de los setenta, alguno de esos satélites lograron localizar fuentes de emisiones de rayos X que manifiestan misteriosas variaciones periódicas de intensidad. Algunas de ellas emiten con cambios de intensidad de una frecuencia de segundos; otras aumentan espectacularmente de intensidad cada varias horas. Las fuentes descubiertas de estos misteriosos rayos X son estrellas de neutrones.
No quedan dudas que estrellas de neutrones son fuentes productoras de rayos X, cuya emisión de energía en unos segundos es igual que la del Sol en dos semanas. Estas estrellas de neutrones generalmente integran un sistema binario y la razón por la cual generan esas explosiones periódicas, breves y largas la intentaremos describir a continuación.

Es disímil el comportamiento de este fenómeno cuando se trata de estrellas de neutrones jóvenes o viejas. Si representan a las primeras, éstas tienen un gran campo magnético característico en sus polos norte y sur. El gas de hidrógeno ionizado que van adquiriendo desde las compañeras por los efectos gravitatorios que ejercen sobre ellas, lo atrae el potente campo magnético hacia los polos, creándose una corriente continua de gas caliente que irradia rayos X y que pulsa con la frecuencia de rotación de la estrellas varias veces por segundo.

Pero cuando las estrellas de neutrones son viejitas, tienen un campo magnético mucho más débil, lo que les impide hacer la gracia de las más jóvenes; sin embargo, igual tienen algo notable que mostrar: el gas de hidrógeno que van arrebatando a las estrellas compañeras, se distribuye por toda la superficie de las estrellas de neutrones, en vez de concentrarse en los polos como sucede cuando son jóvenes. La materia adquirida se asienta sobre la superficie de las estrellas de neutrones y no emiten rayos X hasta que hayan acumulado un stock suficiente. Una vez que las estrellas de neutrones ancianas acumulan cierta cuantía de material sobre sus superficies estallan en un espectacular fogonazo termonuclear en el cual se pueden distinguir grandes emisiones de rayos X y gamma. Es un proceso que tiene una regularidad periódica, y su descubrimiento, una vez más, deja en evidencia como la teoría bien construida es capaz de predecir con certeza lo que puede o debe ser observado.

PULSARES DE RAYOS X

Muchas estrellas son miembros de un sistema binario, en que dos estrellas orbitan alrededor una de la otra en períodos de días o años. Un número importante de estos sistemas son conocidos por el hecho de que una de las estrellas es de neutrones. Algunos de estos últimos son bastantes espectaculares ya que son fuentes visibles muy nítidas de emisión de rayos X y se les conocen como binarias de rayos X o púlsares de rayos X. En estos sistemas, la componente de neutrones arranca materia de la estrella compañera a través de los tirones gravitatorios que genera sobre ésta producto de su muy densa y casi inconmensurable masa alojada dentro de un reducido espacio. Como la materia sustraída cae sobre la superficie de la estrella de neutrones, una gran cantidad de energía se libera, mayormente como rayos X. Ello, marca una diferencia entre los sistemas binarios de rayos X y los pulsares de radio o radio-pulsares, ya que los primeros son energizados, más bien, por la insuflación de materia que por la rotación de la estrella de neutrones. Rotan mucho más lentamente que los púlsares de radio y pueden incrementar o bajar su rotación indistintamente.

Rayos X binarias

Por otra parte, no todas la estrellas de neutrones integrantes de sistemas binarios son pulsares acretando materia desde su compañera, hay aquellos que solamente emiten ondas de radio y tienen una rotación de centenares de veces por segundo más rápida que los pulsares de rayos X, y con un campo magnético muchísimo más pequeño que el resto de los pulsares, a éstos se les llama púlsares milisegundo. Son mucho más precisos en sus rotaciones que los otros púlsares y se piensa que tienen una larga vida, ya que la velocidad de rotación solamente se observa que disminuye en una diez mil millonésima cada año. Se cree que existen muchísimos de estos púlsares de milisegundo en nuestra galaxia.

Se piensa que la mayoría de los pulsares de milisegundo deberían encontrarse en sistemas binarios y ser la consecuencia final de un sistema binario de rayos X que comportaba a una compañera estrella de baja masa relativa. Observaciones recientes de radiaciones de rayos X han revelado rotaciones de milisegundo en sistemas binarios de rayos X, haciendo de nexo final hacia pulsares de radio milisegundo. El traslado de materiales cuando el sistema es un binario de rayos X acelera la rotación de la estrella de neutrones a períodos de milisegundos. Agotado el proceso debido a la escasez de materia, la estrella de neutrones asume como un púlsar energizado de radio de milisegundo orbitando a los remanentes de la compañera, probablemente transformada ahora en enana blanca.

SCORPIUS X-1

Un ejemplo curioso de estrella de neutrones con emisiones de rayos X, es el que constituye el Sco X-1. Descubierto en 1962 y luego identificado como una estrella óptica, Scorpii V818, a 700 pc desde la Tierra, integra el grupo que los astrónomos denominan Sistemas Binarios de Rayos X de Baja Masa con las siglas en inglés LMXB, cuyo significado implica la emisión de rayos X desde un par de estrellas; una estrella ordinaria y una estrella de neutrones. En este sistema binario estelar se encuentra orbitando una estrella alrededor de la otra con un período orbital de 18,9 horas. Los astrónomos de rayos X han podido detectar que las observaciones de luz que se producen en Sco X-1 son la consecuencia de emisiones que emanan desde un plasma muy caliente del tipo "libre-libre" o "bremsstrahlung", las cuales se producen por los efectos que ocasionan electrones cargados que colisionan con protones descargando altas energías con radiaciones de luz. El análisis cuidadoso de las emisiones de luz que salen desde Sco X-1 indican componentes más atribuibles a objetos negros que a estrellas de neutrones, con temperaturas en la superficie de la estrella por sobre 50.000K (2keV). Sin embargo, la carencia de detecciones duras de emisiones de rayos X con energía superior a varios keV, descartan la posibilidad de que podría tratarse de un agujero negro en vez de una estrella de neutrones.

Scorpii V818 es de una estrella variable con rangos de magnitudes de brillo que van desde +12,2 a +13,6 el más tenue. Durante su fase más nítida, las llamaradas de rayos X con características de pulso se observan usualmente. Frecuencias de emisiones de rayos X se han podido observar por segundos, pero no se han podido establecer pulsaciones de rayos X con regularidades de milisegundo. Lo anterior indica que pese a que esta estrella de neutrones pueda tener un disco de acreción y ser, además, una poderosa fuente de emisiones de rayos X, todo hace presumir, sin embargo, que no es un pulsar. También la carencia de pulsaciones de rayos X más allá del segundo, estaría indicando que la materia que se va posando sobre la superficie de la estrella, arrancada desde la compañera, tiene un arribo suave y no abrupto.

PULSAR LA VELA

El pulsar de La Vela, PSR 0833-45, ubicado en la sureña constelación que le da su nombre, es uno de los más activos y cercano a nosotros que, además, es portador de la gama completa de espectros energéticos, desde el radio a rayos gama, con intensidades del orden de 1011 eV. Su periodicidad y características indican que su edad debería estar en el orden de los 11.000 años, con una pérdida de energía de rotación de 7 1036 erg/s. La identificación del remanente de supernova que lo formó, hasta ahora, ha sido un trabajo difícil.  El mejor candidato de remanente que se ha podido hallar hasta la fecha, se encuentra dentro de un radio de cinco grados en el centro de la nebulosa La Vela, a 8h 42min -45º. Desde ese lugar, actualmente, el púlsar se halla a un grado de allí, distancia que pudo haber recorrido en sus 11.000 años de vida. Se identifica al lugar descrito como la posible ubicación original del remanente de supernova, debido que desde allí se detectan emisiones energética térmicas de rayos X en rangos de intensidad que van desde 0,2 a 1 eV. La imagen de esta región obtenida por el HST, revela una compacta nebulosa de un diámetro aproximado de 2 minutos de arco circundando la ubicación conocida del púlsar. La observación del espectro sugiere, que las emisiones semejantes a las de un objeto negro, que emanan desde la superficie de la estrella de neutrones son enfriadas por la energía ciclotrónica que se irradia, justamente, desde la nebulosa.

Centro Nebula La Vela

Existen proyecciones sobre los movimientos del púlsar La Vela, cuyos guarismos estimados dan una ascensión a la derecha de -0,026" +/- 0,006" por año y una declinación de 0,028" +/- 0,006" por año, es decir, se estima que se mueve 0,04" en dirección N-N-O, cada año, cuestión que ha sido confirmada por medio de interferometría de radio. En consecuencia, de ello se desprende que el púlsar PSR 0833-45, puede que haya nacido 7' al sudoeste desde su actual posición, bajo el supuesto de que la nebulosa ha tenido una expansión uniforme pero, sin embargo, ello es un lugar distante con respecto a la posición desde donde se detectan emisiones de rayos X y radio de remanente de supernova. Exámenes más recientes de imágenes captadas por los satélites Einstein e IRA, estarían mostrando que la nebulosa se podría haber expandido mucho más hacia el noroeste, formando una cáscara de unos 8º de diámetro, en la cual el púlsar se formó en los alrededores de la vecindad del centro. Así, el misterio del origen del púlsar La Vela parece haberse aclarado.

Antecedentes obtenidos por medios fotométricos han mostrado la existencia de una difusa nebulosa al centro del púlsar, que contiene bucles muy semejantes a los que se observan en la nebulosa El Cangrejo, y que ocupa un diámetro óptico de ~2/6 1017cm., semejante a lo que se observa en los rayos X. Ello, probablemente, sea el resultado de vientos de ondas de plasma inestable y de partículas relativas que emanan desde la magnetosfera de la estrella de neutrones. A 500 pc, la luminosidad óptica de los rayos X alcanza a 1033 erg/s. Ello, es sólo alrededor de 10-4 de luminosidad como consecuencia de la desaceleración de la estrella de neutrones, lo que implica estar frente a una región sorprendentemente transparente, de baja frecuencia de ondas dipolares y de vientos relativos hidrodinámicos-magnéticos generados por la magnetosfera del pulsar.

Eyec.R-X La Vela

La imagen  revela material que está siendo expulsado desde el púlsar La Vela, el cual se encuentra identificado por una pequeña cruz al centro, a 20 años luz. En ella, se reconoce la eyección de materias de alta densidad que son eyectadas durante la rápida rotación del púlsar PSR 0833-45. Se sabe, que éste está disminuyendo su energía de rotación, tal como ya lo hemos señalado, pero no se conoce a dónde va a parar esa merma de energía giratoria. Es posible que el púlsar La Vela energetice las partículas que fluyen hacia afuera a lo largo de su eje de rotación . Se estima, que la fuerza mecánica que se requiere para energetizar las partículas que eyecta, es igual a la pérdida que experimenta el púlsar en su energía de rotación. La foto que estamos analizando, representa una emisión de energía de rangos de 0,9 a 2,4 keV.

Eyec.R-X La Vela

La imagen pliable de rayos X de la derecha, correspondiente a los alrededores del púlsar La Vela, representa a una emisión más baja de energía en comparación a lo que se observa en la imagen anterior (0,1-0,7 keV). No deja de ser notable el hecho de que existan dos bandas de energía sorprendentemente diferentes. La explicación que se encuentra para ello, podría hallarse en descargas de estructuras filamentosas que se formaron dentro del remanente de la supernova de Las Velas y que emiten mayormente fotones de baja energía de rayos X. Se puede apreciar en la imagen con el pulsar al centro que, en la mayor parte de ella, se ven descargas de filamentos.


ESTRELLAS DE NEUTRONES FUENTES DE RAYOS GAMMA

Rayos gamma, una forma de radiación de muy alta energía, nos proporcionan importantes y nuevos datos sobre las estrellas de neutrones en las que tienen lugar los procesos energéticos que pueden emitirlos. Los rayos gamma proceden de núcleos atómicos o de la aniquilación positrón-electrón, y son, por ello, independientes del estado químico de la materia. Proporcionan otra serie más de «huellas dactilares» detalladas que pueden ayudarnos a identificar los complejos procesos físicos que rodean a objetos cósmicos compactos y exóticos como son las estrellas de neutrones.

Es diferente la intensidad de los rayos gamma emitidos por estrellas de neutrones cuando no son el efecto de radiaciones emanadas como consecuencias de la "involuntaria" participación de estrellas compañeras en sistemas binarios que insuflan aleatoriamente materia hacia la densa y compacta estrella de neutrones. La intensidad de la radiación ordinaria es sustancialmente inferior a la que es ocasionada cuando las compañeras son obligadas por la gravedad a insuflar materia hacia las "fauces" de estrellas de neutrones. Al caer la inocente materia en esos astros, una gran cantidad de energía se libera, generando en ello una acreción que intensifica la magnitud de la radiación de los rayos gamma que emanan de las estrellas de neutrones.
Las fuentes de emisiones bajas de rayos gamma, emiten radiaciones de hasta un ciento de KeV. Generalmente, ellas corresponden a la emisión alta de energía "tail" del espectro que normalmente es detectada por los experimentos de rayos X. Algunas de estas fuentes son distinguidas como rayos X de púlsares. La materia que engullen los púlsares se va alojando bajo los polos magnéticos de la estrella de neutrones y es lo que produce la visión como de un faro de luz que emite haces sincronizados. Las fuentes de estrellas de neutrones con campos magnéticos débiles (sin materia engullida) no emiten esos haces o pulsaciones. Sin embargo, todas estas fuentes son altamente fluctuantes, ya que las acreciones de radiación pueden variar sustancialmente dependiendo de la cantidad de combustible disponible. La magnitud de el flujo de emisión puede pasar de indetestable a una de las fuentes más nítida sobre el espacio.

La mayoría de las más de setecientas estrellas de neutrones que se han descubierto hasta la fecha, han sido halladas como pulsares de emisión de radio; pocas de ellas, no más de treinta, se han detectado por sus irradiaciones de rayos X y, algo más de diez, han podido ser localizadas por erupciones de rayos gamma. El fotón de los rayos gamma, comporta una parte importante de la energía de las estrellas de neutrones, yendo, dependiendo del caso, a representar desde el 1% al 100% del total de su potencial energético. Ellos nacen, en el corazón de las genuinas regiones activas de la magnetosfera, cuya rápida rotación del intensivo campo magnético acelera las partículas por sobre TeV, representando la curva de radiación de energía alta. Teóricamente, también se piensa que cuando se dan adsorciones sobre el campo magnético de la estrella o sobre fotones de baja energía emitidos por ésta, los rayos gamma producen una especie de lluvia de partículas secundarias y radiación ciclotrónica.

EL PÚLSAR GEMINGA

En los últimos tiempos, uno de los púlsares que ha concitado mayor connotación ha sido el Geminga. Se tomó veinte años de esfuerzos para identificarlo, debido a que carece de emisiones de radio, aunque científicos rusos han informado recientemente que han podido detectar unas ondas debilísimas. Hasta hace poco tiempo, se sabía de la existencia de Geminga por la recepción de rayos gamma y rayos X que se detectan en un área del espacio, pero su ubicación conocida en el cielo no era muy precisa ya que ésta comportaba una incertidumbre de medio grado, algo así, como el tamaño de la Luna. Sin embargo ahora, gracias a los antecedentes que ha podido aportar el moribundo satélite Hipparcos y otras observaciones realizadas por el HST, se ha podido precisar, con un margen de error de sólo 0,04 segundos de arcos, la ubicación precisa en el cielo de esta estrella de neutrones que es Geminga.

Geminga

El Geminga es un púlsar que se encuentra a unos 250pc desde la Tierra, rota cuatro veces por segundo. Se compone de materia sumamente densa (un pedazo del tamaño de un cubo de azúcar pesa como toda la Tierra) y es el resultado de una supernova que explosionó hace 300.000 años. Unas de las características que distinguen a este púlsar es su poder energético, ya que sus emisiones de radiaciones de energía, a diferentes longitudes de ondas, se registran entre los rangos que van desde los 30 MeV a unos varios GeV, débiles en rayos X y con temperaturas del orden de 3 106K, semejante a una tenue estrella azul de magnitud 25,5.

Las emisiones de rayos gamma que sobrepasan los 200 MeV por parte de Geminga, han sido estudiadas por largos años, tanto como por parte del satélite COS-B de la Agencia Espacial Europea, como por el EGRET, instrumento este último que se encuentra empotrado en el satélite de la NASA para la observación y captación de emisiones de rayos gamma, a 500 km. de la superficie de la Tierra. Ello ha permitido contar con registros sobre la rotación del púlsar en una cantidad de 3.2 billones de veces durante un tiempo transcurrido de 24 años, lo que ha permitido la elaboración de un modelo teórico con el cual se pudo distinguir que la emisión de los rayos gamma tienen desviaciones cada cinco años, que podrían representar a cambios bamboleantes de la órbita de Geminga de hasta 3.200 km. de efectos de tirones gravitatorios, que podrían deberse a la presencia de un objeto masivo de un tamaño superior a la Tierra orbitando el púlsar.
Pero también esas variaciones, posiblemente periódicas, que se observan en la emisión de rayos gamma de Geminga podrían deberse a otras causas. Astrofísicos han señalado, en distintos informes, que ello podría ser producto de irregularidades en la rotación del pulsar, fenómeno que se le llama «frecuencia sonora» y que se debe a los cambios que se producen en la emisión de los fluidos desde el interior del núcleo de la estrella de neutrones hasta que llegan a la superficie. Para poder dilucidar si las variaciones de emisiones de rayos gamma de Geminga se deben a la presencia de un exoplaneta o a la frecuencia sonora del púlsar, va a ser necesario ejecutar nuevas observaciones. Si las variaciones en la emisión de rayos gamma se presentan en períodos regulares, entonces podrían ser atribuidas a los efectos gravitatorios de un planeta. Ahora, si ellas no se observan con periodicidad, su causa se podría encontrar como un efecto del fenómeno de frecuencia sonora emanado del centro del púlsar Geminga.

La historia de Geminga, muestra un importante avance de las técnicas de la astronomía para ubicar objetos ópticamente ocultos en las extensas sabanas cósmicas del universo, ya que su hallazgo demostró la factibilidad de poder descubrir, incluso fuera del ámbito de las emisiones de radio, estrellas de neutrones. Lo que hasta ahora hemos logrado conocer sobre Geminga, convierte a esta estrella de neutrones como una especie de prototipo de estudio, lo que permitirá, a futuro, mayores facilidades en la ubicación de millones de este tipo de estrellas que aún no hemos podido localizar en nuestro universo.
 Diagrama y Mapa de las Emisiones de Rayos Gamma de Geminga (Formato "ps")


LA FUENTE DE RAYOS GAMMA 4U 1700-377

Esta particular fuente emisora de rayos gamma, contiene en su centro a una estrella de neutrones rodeada por un disco de acreción que está permanentemente siendo alimentado por intensos vientos estelares provenientes de una compañera, posiblemente una masiva estrella de tipo O. Sus emisiones de rayos gamma han sido varias veces detectadas por el satélite SIGMA. Las peculiares características de sus erupciones, se pudieron distinguir durante observaciones satelitales que se realizaron en septiembre de 1990. En esa ocasión, se pudo detectar que la estrella, cada quince minuto, incrementa súbitamente su flujo eruptivo de rayos gamma, convirtiéndola, durante esos períodos, en uno de los objetos más nítidos de los conocidos en el cosmos.

La observación de las variaciones de energía, los abruptos incrementos, y sus correspondientes mediciones de los rayos gamma que emiten las estrellas de neutrones son de gran importancia para los estudiosos del cosmos, ya que ello les permite una mejor comprensión sobre la estructura física de estos astros. Las radiaciones normalmente provienen desde el centro de la estrella, como si fueran emitidas por el colapso de una central planta termonuclear que se encuentra empotrado ahí. Su estudio, es parte de la astronecroscopia que permite obtener más y mejores conocimientos sobre la estructura de las estrellas y su influencia sobre el comportamiento físico del cosmos.

EL PULSAR GRO J1744-28


BATSE

El púlsar GRO J174428 lo he elegido para exponerlo aquí como un ejemplo de fuente emisora de rayos gamma debido a que, desde que fue descubierto en diciembre de 1995 por los instrumentos de experimentación y monitoreo de radiaciones Burst and Transient Source Experiment (BATSE) empotrado en el satélite Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO), he estado siguiendo las informaciones que se han difundido sobre las particularidades que se han descubierto sobre las distintas características que muestran las detecciones de rayos gamma supuestamente provenientes de estrellas de neutrones con la intención de complementar un proyecto personal que he venido desarrollando por años sobre los comportamientos de distintas estrellas de neutrones.

Cuando se lograron detectar las primeras emisiones de radiaciones de rayos gamma provenientes del lugar en que se supone que se encontraría una estrella de neutrones-púlsar denominada GRO J1744-28, la violencia de éstas dieron cabida a pensar de que se trataba como que hubiese ocurrido un gran reventón en ese lugar del espacio. En esa ocasión, se lograron distinguir hasta dieciocho violentísimas explosiones durante el lapso de una hora, con duraciones desde entre 8 y 30 segundos cada una y de un rango energético de entre 20 y 50 KeV. Sin embargo, en otro monitoreo realizado en enero de 1996, las radiaciones registradas fueron de menor energía, pero delatándose en ellas periodicidades persistentes, algunas de ellas de mayor intensidad que las que emanan como rayos X del púlsar de El Cangrejo otorgándole con ello el calificativo de una de las fuentes conocidas más brillantes del cielo y, a su vez, demostrando de que la presencia de una estrella de neutrones en ese lugar del espacio debería ser afirmativa.

Los estudios y seguimientos que se han realizado desde que se descubrieron los reventones explosivos en 1995 hasta ahora, todos ellos hacen indicar de que GRO J1744-28 es una estrella de neutrones-pulsar de rayos X y que por componer un sistema binario tiene períodos de emisiones de rayos gamma por acreción.

GRO 1744

El GRO J1744-28 es un sistema compuesto por una estrella de neutrones a la cual se le ha calculado una masa aproximada de 1,4 M, y una segunda estrella, de sobre 0,07 - 0,14 M. Las dos estrellas orbitan un centro de masa común cada 11,8 días.


EL INTRIGANTE GRO J2058+42

Pulsar descubierto en el año 1995, por la astrofísica Dra. Colleen Wilson-Hodge del NASA's Marshall Space Flight Center. Este hallazgo pudo ser realizado a través de los rastreos que ella misma realizaba en su trabajo en el experimento BATSE (Burst and Transient Sourse Experiment).

Pero lo enigmático de este bicho estelar es, que durante un seguimiento que se estaba realizando al pulsar, en 1998, pareció como que se partía en dos al emitir una doble explosión en un también doble paso por la misma órbita que realiza alrededor de un disco de acreción que probablemente emana de su estrella compañera. Lo común es que estos astros emitan una pulsación por cada órbita que realizan, pero el GRO J2058+42, desde entonces -y con cierta regularidad-, lo ha estado efectuando dos veces por pasada. La probable explicación que se le puede otorgar a este fenómeno es que el referido pulsar se estaría alimentando de neutrones con la materia que logra extraerle a su compañera, haciendo que el material que toma se zambulla en su superficie como consecuencia de la enorme gravitación que emite. En cada proceso de esta naturaleza, el pulsar se acrecienta y emite verdaderos martillazos pulsantes, apareciendo emisiones de rayos gamma y X. Lo último, se experimenta cada vez que su superficie recibe materia proveniente de la generosa estrella que lo acompaña en sus andanzas estelares.

GRO J2058

Una ilustración artística, en la cual un pulsar o estrella de neutrones pasa dos veces por la misma órbita de un disco circunestelar generado por su estrella compañera.

Fuente: http://www.astrocosmo.cl/h-foton/h-foton-03_07-06.htm

1 comentario:

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