Por primera vez, investigadores del MIT y de otros lugares han detectado todas las fases de combustión termonuclear en una estrella de neutrones. La estrella, que se encuentra cerca del centro de la galaxia en el cúmulo globular Terzan 5, es un “modelo de carga de dispersión”, según dice Manuel Linares, investigador postdoctoral del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT.
Linares y colegas del MIT, de la Universidad McGill, de la Universidad de Minnesota y de la Universidad de Amsterdam analizaron las observaciones de rayos-X la NASA del Rossi Timing Explorer (RXTE) de la NASA, y descubrieron que la estrella era la primera de su tipo a punto de estallar tal y como los modelos predecían. Es más, el descubrimiento podría ayudar a explicar por qué una estrella de este modelo no se había detectado hasta ahora. Un artículo que será publicado en marzo en la revista Astrophysical Journal detalles las conclusiones del grupo.
“Estos son laboratorios de extremos”, dice Linares. ”Podemos estudiar la física fundamental al observar lo que sucede en ellos y alrededor de la superficie de las estrellas de neutrones.”
Las estrellas de neutrones, por lo general, surgen del colapso de estrellas masivas. Estos restos estelares están constituidas casi en su totalidad de neutrones, y son increíblemente densas; cerca de la masa del Sol, pero comprimida en una esfera de unos pocos kilómetros de ancho. Durante las últimas tres décadas, los astrofísicos han estudiado las estrellas de neutrones para entender cómo la materia se comporta de forma ultradensa.
En particular, los investigadores se han centrado en las superficies extremadamente volátiles de las estrellas de neutrones. En un proceso conocido como acreción, al rojo vivo de plasma es extraído de una lluvia de estrellas vecinas sobre la superficie de una estrella de neutrones con una fuerza increíble -el equivalente a 100 kilogramos de materia se estrella contra un área del tamaño de una moneda cada segundo. A medida que el plasma cae, se forma una capa de combustible en la superficie de la estrella de neutrones que se construye a un cierto nivel, y luego estalla en una reacción de fusión termonuclear. Esta explosión puede ser detectada como rayos X en el espacio. Cuanto más grande sea esta explosión, mayor será la intensidad de los rayos X, que pueden ser medidos como un aumento en los datos obtenidos por satélite
Los investigadores han desarrollado modelos para predecir cómo debería estallar una estrella de neutrones, sobre la base de la cantidad de plasma que la estrella está atrayendo a su superficie. Por ejemplo, cuanto más y más plasma cae en una estrella de neutrones, las explosiones deberían ocurrir más frecuentemente, resultando mayores picos de rayos X. Los modelos predicen que eníndices de acreción de masa mayores, el plasma cae a un ritmo tan alto que la fusión termonuclear es estable, y se produce de forma continua, sin explosiones gigantes.
Sin embargo, en las últimas décadas, las observaciones de rayos X procedentes de aproximadamente 100 explosiones de estrellas de neutrones no habían podido validar estas predicciones teóricas.
“Desde finales de 1970, vimos sobre todo explosiones a bajas tasas de acreción de masa y pocas o ninguna explosión pocas con tasas altas”, dice Linares. “No debería estar sucediendo, pero durante tres décadas nunca lo vimos. Ese era el rompecabezas”
A finales de 2010, el satélite RXTE detectó picos de rayos X de un sistema estelar binario, dos estrellas unidas por la gravedad y orbitando cerca una de la otro en Terzan 5. Linares y sus colegas obtuvieron datos de este hecho y los analizaron.
El equipo descubrió que la estrella del sistema de neutrones, de hecho, exhibía patrones de rayos X en consonancia con bajas tasas de acreción de masa, en los que plasma cae a la superficie poco a poco. Estos patrones se parecía a grandes picos, separados por largos períodos de poca actividad.
Para su sorpresa, observaron mayores tasas de acreción de masa, donde más plama cae con más frecuencia -pero en estos casos, los datos de rayos X mostraban pequeños picos, con muy poca separación. Incluso aún en los más altos, los datos parecían igualarse, más parecido a una onda oscilante. Linares interpreta esta última observación como un signo de combustión marginalmente estable. Una etapa en la que una estrella de neutrones atrae plasma a su superficie a una velocidad tal alta que las reacciones de fusión nuclear tienen lugar de manera uniforme en toda la capa de plasma, sin exhibir grandes explosiones o picos significativos.
“Vimos, por primera vez, exactamente el tipo de evolución que la teoría predecía”, dice Deepto Chakrabarty, profesor de física en el MIT, y miembro del equipo de investigación. “Pero la pregunta es, ¿por qué no lo vimos antes?”
El equipo identificó pronto una posible explicación mediante la comparación de la estrella de neutrones con otras estudiadas en el pasado. La gran diferencia que encontraron fue que la estrella de neutrones en cuestión mostraba un ritmo mucho más lento de rotación. Aunque la mayoría de las estrellas de neutrones giran unas vertiginosas de 200 a 600 veces por segundo, esta estrella gira mucho más lentamente, a 11 revoluciones por segundo.
El grupo argumentó que en la predicción del comportamiento de estallido, los modelos existentes no habían podido dar cuenta de ello por 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 velocidad de rotación es casi insignificante. Todavía no está claro exactamente cómo afecta la rotación a la combustión termonuclear, aunque Linares tiene una corazonada: La rotación puede causar fricción entre las capas de plasma y la superficie de la estrella. Esta fricción puede liberar calor, que a su vez puede afectar a la tasa de combustión nuclear.
“Eso es algo que tenemos que estudiar,” dice Linares. ”Y ahora, los modelos tienen incorporar la rotación, y tendrán que explicar exactamente cómo funciona”.
Coleman Miller, profesor de astronomía en la Universidad de Maryland, está de acuerdo en que la rotación puede ser un factor importante que los modelos han pasado por alto. Sin embargo, está seguro de que el diseño de modelos con la rotación en la mente es una hazaña increíble de datos intensivos, ya que a menudo la fusión termonuclear se produce con una rapidez increíble, en pequeñas partes de la estrella de neutrones.
“Si vas a modelar plenamente una explosión, tienes que lidiar con microsegundos y centímetros”, dice Miller, quien no participó en la investigación. ”Ningún ordenador ha sido diseñado para hacer esto. Así que estas son sugerencias interesantes, probablemente, pero va a ser profundamente difícil confirmarlas de manera definitiva. “
Autor: Jennifer Chu
Enlace original: Researchers find the first neutron star that bursts as predicted.
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