Las líneas detectadas por XMM-Newton proporcionan una nueva herramienta para estudiar la gravedad extrema

Crédito: ESA.

Una línea de emisión de oxígeno buscada desde hace tiempo, que porta la huella de potentes campos gravitatorios, ha sido descubierta en el espectro de XMM-Newton de un sistema estelar binario exótico de dos remanentes estelares, una estrella de neutrones y una enana blanca. Los astrónomos pueden usar esta línea para estudiar los efectos de la gravedad extrema en una región cercana a la superficie de una estrella de neutrones.

Los remanentes estelares son el último paso evolutivo en la vida de las estrellas las cuales, tras haber agotado su combustible nuclear, colapsan en objetos muy compactos y exóticos – enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros, dependiendo de la masa de las estrellas. Con una enorme masa contenida en un espacio muy restringido, estos objetos son extremadamente densos; en particular, las estrellas de neutrones y los agujeros negros dan lugar a fuertes campos gravitatorios y, de este modo, demuestran ser excelentes bancos de prueba para la Teoría de la Relatividad General de Einstein.

Las estrellas a menudo aparecen en parejas, y estrellas de neutrones y agujeros negros no son una excepción, a menudo encontrándose como partes componentes de un sistema binario. Debido a la potente atracción gravitatoria que ejerce el remanente compacto sobre su compañera, el materia del último fluye hacia el primero formando un disco de acreción. Conforme el material del disco cae en espiral alrededor del remanente, se calienta a millones de grados – debido a la fricción interna – y genera una copiosa cantidad de rayos-X. Estos sistemas son a menudo conocidos como binarias de rayos-X.

El objeto de este estudio, 4U 0614+091, es una binaria muy especial, que consta de dos remanentes, a saber, una estrella de neutrones que acreta masa de una enana blanca. El hecho de que la estrella compañera sea también un objeto compacto es evidente a partir del periodo orbital excepcionalmente corto del sistema: de hecho, los dos objetos se orbitan entre sí en apenas 50 minutos, lo cual identifica a la fuente como una Binaria de Rayos-X Ultra-Compacta (UCXB).

Dada su naturaleza compacta, es virtualmente imposible fotografiar directamente la vecindad inmediata de una estrella de neutrones y su disco de acreción. Afortunadamente, la espectroscopía de estos sistemas nos deja una gran cantidad de información para rellenar el hueco y representa una herramienta única para investigar la dinámica del proceso de acreción en las binarias de rayos-X. El material alrededor de la estrella de neutrones, irradiado por rayos-X, refleja la radiación y, durante el proceso, iones de elementos pesados, tales como oxígeno y hierro, que están presentes en el disco, dejan su huella en el espectro de luz reflejada como líneas de emisión características. El perfil de estas líneas conocidas como “fluorescentes” está profundamente influenciado por el potente campo gravitatorio del remanente compacto, de aquí que su detección sea extremadamente importante para estudiar el régimen fuerte de la relatividad general.

“La única línea observada hasta ahora en las binarias de rayos-X era la línea del hierro, que se corresponde a una energía de aproximadamente 6,4 keV”, explica Oliwia Madej, estudiante de doctorado del Instituto de los Países Bajos para Investigación Espacial (SRON) y la Universidad de Utrecht que lideró el estudio que detectó, por primera vez, una amplia línea de oxígeno en el espectro de 4U 0614+091. Esta línea está en una energía menor que la del hierro – aproximadamente 0,7 keV – y representa no sólo un diagnóstico adicional de las partes internas del sistema, sino realmente un diagnóstico más potente. “La ventaja es que los instrumentos son capaces de recopilar más fotones en la energía del oxígeno que en la energía de las líneas de hierro, lo que da como resultado un espectro de mejor calidad”, añade.

El asombroso resultado depende de la resolución espectral tanto alta como baja de 4U 0614+091 recopilada por XMM-Newton. “La alta resolución del espectro recopilada por parte de los Espectrómetros de Rejilla de Reflexión (RGS) fue crucial para aislar la tan deseada firma del oxígeno entre una plétora de características espectrales”, comenta Norbert Schartel, Científico del Proyecto XMM-Newton.

La línea, que intrínsecamente es estrecha, parece ampliarse hacia las energías mayores y menores. Los efectos relativistas son los responsables de la ampliación en las energías menores a través de una combinación de desplazamiento al rojo gravitatorio – cuando los fotones pierden energía cuando escapan del potente campo gravitatorio de una estrella de neutrones – y el efecto Doppler relativista. “La ampliación hacia energías mayores se interpreta, en lugar de esto, en término de fotones dispersándose a partir de los electrones muy calientes presentes en el disco y logrando energía a través de este proceso”, explica Peter Jonker de SRON, uno de los supervisores de doctorado de Madej.

Estudiando el perfil de la línea de oxígeno en gran detalle, es posible deducir una gran cantidad de información sobre el disco de acreción en un radio de pocas decenas de veces el de la estrella de neutrones, que corresponde a una distancia de sólo unos pocos kilómetros a varias decenas de kilómetros desde la superficie de la estrella de neutrones. Estudiar estas regiones nos permite comprobar la relatividad general de Einstein en un entorno extremo, donde la gravedad es inmensamente mayor que en nuestro Sistema Solar.

“Es asombroso cómo la naturaleza nos proporciona fuentes astronómicas que son laboratorios excepcionales para estudiar cómo se comporta la materia en unos campos gravitatorios tan fuertes, una materia tan densa que una cucharada pesaría miles de millones de toneladas en la Tierra”, comenta Schartel. “Nuestro papel es descubrir cada vez mejores herramientas para observar estas fuentes y descubrir toda la información que encierran”.

Artículo traducido y posteado en Ciencia Kanija, el original se publicó en  el portal de ESA.