Astrónomos mapean la superficie de un púlsar

Cuando las estrellas agotan su suministro de combustible, colapsan por su propio peso y explotan, expulsando sus capas exteriores en un evento conocido como «supernova». En algunos casos, estos eventos dejan estrellas de neutrones, los objetos estelares más pequeños y densos (con la excepción de ciertas estrellas teóricas) que a veces giran rápidamente. Los púlsares, una clase de estrella de neutrones, pueden girar hasta varios cientos de veces por segundo.

Uno de esos objetos, designado J0030+0451 (J0030), se encuentra a unos 1.100 años luz de la Tierra en la constelación de Piscis. Recientemente, los científicos que utilizan la NASA Explorador de composición interior de estrellas de neutrones (NICER) pudieron medir el tamaño y la masa del púlsar. En el proceso, también lograron ubicar los diversos «puntos calientes» en su superficie, creando efectivamente el primer mapa de una estrella de neutrones.

Desde 2017, NICER ha estado realizando observaciones desde la Estación Espacial Internacional (ISS) con el fin de aprender qué sucede dentro de una estrella de neutrones. Además de proporcionar mediciones de alta precisión de estrellas de neutrones y otros objetos súper densos, los datos que recopila también se utilizarán para crear un mapa de rayos X del cosmos y probar los púlsares como una posible baliza de navegación.

Como dijo Paul Hertz, director de la división de astrofísica de la NASA, en un reciente informe de la NASA presione soltar:

“Desde su posición en la estación espacial, NICER está revolucionando nuestra comprensión de los púlsares. Los púlsares se descubrieron hace más de 50 años como faros de estrellas que colapsaron en núcleos densos, comportándose como nada que vemos en la Tierra. Con NICER podemos investigar la naturaleza de estos remanentes densos de formas que parecían imposibles hasta ahora”.

Durante décadas, los científicos han estado estudiando los púlsares con la esperanza de comprender mejor su funcionamiento interno. Según el modelo más simple, los púlsares tienen campos magnéticos increíblemente poderosos con forma de imán dipolar. Combinado con la rotación del púlsar, esto hace que las partículas de su superficie se enfoquen en haces estrechos emitidos desde los polos. Esto crea un fuerte efecto estroboscópico que se asemeja a un faro para los observadores.

Este efecto conduce a variaciones en el brillo del púlsar (en la longitud de onda de rayos X), que los astrónomos han observado en el pasado. Al mismo tiempo, los astrónomos también han observado puntos calientes en la superficie de los púlsares, que son el resultado de sus campos magnéticos que arrancan partículas de la superficie y las acumulan alrededor de los polos. Mientras que toda la superficie brilla intensamente en los rayos X, estos puntos calientes brillan más.

Sin embargo, los nuevos estudios NICER de J0030 (un púlsar de milisegundos que gira 205 veces por segundo) mostraron que los púlsares no son tan simples. Utilizando los datos de NICER obtenidos entre julio de 2017 y diciembre de 2018, dos grupos de científicos mapearon los puntos críticos en J0030 y llegaron a conclusiones similares sobre su masa y tamaño.

El primer equipo estuvo dirigido por Thomas Riley y su supervisora ​​Anna Watts, estudiante de doctorado en astrofísica computacional y profesora de astrofísica (respectivamente) en la Universidad de Amsterdam. Para recrear las señales de rayos X que observaron, Riley y sus colegas realizaron simulaciones de círculos superpuestos de diferentes tamaños y temperaturas utilizando la supercomputadora nacional holandesa. Cartesio.

Además de determinar que J0030 tiene alrededor de 1,3 masas solares y 25,4 km (15,8 millas) de ancho, identificaron dos puntos calientes: uno pequeño y circular, el otro largo y en forma de media luna. El segundo equipo, dirigido por el profesor de astronomía Cole Miller de la Universidad de Maryland, realizó simulaciones similares utilizando UMD. pensamiento profundo2 supercomputadora.

Descubrieron que J0030 tiene 1,4 masas solares, mide 26 km (16,2 millas) de ancho y propusieron dos soluciones para puntos de acceso. En el primero, identificaron dos posibles puntos críticos, uno de los cuales tiene dos óvalos que se acercan mucho a los resultados del equipo de Riley. En el segundo, encontraron un posible tercer punto de acceso ubicado alrededor del polo de rotación sur del púlsar.

Como explicó Riley, estos resultados revelaron mucho sobre J0030 y otros púlsares:

“Cuando comenzamos a trabajar en J0030, nuestra comprensión de cómo simular púlsares era incompleta y todavía lo es. Pero gracias a los datos detallados de NICER, las herramientas de código abierto, las computadoras de alto rendimiento y el gran trabajo en equipo, ahora tenemos un marco para desarrollar modelos más realistas de estos objetos”.

Como predijo la Teoría General de la Relatividad de Einstein, un púlsar es tan denso que su gravedad deforma la estructura misma del espacio-tiempo a su alrededor. El efecto es tan pronunciado que la luz que proviene del lado opuesto al observador se desvía y se redirige hacia él. Esto hace que la estrella parezca más grande de lo que realmente es y significa que los puntos calientes no desaparecen por completo cuando se alejan del observador.

Gracias a la precisión de NICER, que es unas 20 veces mayor que la de los instrumentos anteriores, los astrónomos pueden medir la llegada de cada rayo X desde un púlsar a más de cien nanosegundos. Desde la Tierra, los dos equipos tenían una vista clara del hemisferio norte de J0030 y esperaban encontrar un punto de acceso allí. En cambio, identificaron hasta tres, todos los cuales estaban ubicados en el hemisferio sur.

como molinero explicadoestas observaciones no hubieran sido posibles sin la precisión de NICER:

“Las mediciones de rayos X sin precedentes de NICER nos permitieron hacer los cálculos más precisos y confiables del tamaño de un púlsar hasta la fecha, con una incertidumbre de menos del 10 %. Todo el equipo de NICER ha hecho una importante contribución a la física fundamental que es imposible de probar en laboratorios terrestres”.

Este constituye el primer caso de astrónomos que mapean la superficie de un púlsar, y los resultados indican que sus campos magnéticos son más complicados de lo que sugeriría el modelo dipolar tradicional. Si bien los científicos aún tienen que determinar por qué las manchas de J0030 están dispuestas y tienen la forma que tienen, estos hallazgos indican que estas respuestas podrían estar al alcance de la mano.

Aún más impresionante es el hecho de que dos equipos llegaron a hallazgos similares independientemente el uno del otro. Como Zaven Arzoumanian, líder científico de NICER en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, expresado:

“Es notable, y también muy tranquilizador, que los dos equipos lograron tamaños, masas y patrones de puntos calientes similares para J0030 utilizando diferentes enfoques de modelado. Nos dice que NICER está en el camino correcto para ayudarnos a responder una pregunta persistente en astrofísica: ¿Qué forma toma la materia en los núcleos ultradensos de las estrellas de neutrones?

Como parte de la Astrofísica Misión de Oportunidad elemento del programa Exploradores de la NASA, el principal objetivo científico de NICER es medir con precisión el tamaño y la masa de varios púlsares. Esta información arrojará pistas valiosas sobre lo que sucede en su interior, donde la materia se comprime a densidades que son imposibles de simular en los laboratorios aquí en la Tierra.

Esta información también ayudará a los astrónomos a avanzar en la comprensión de los agujeros negros y otros objetos súper densos. El análisis de las observaciones NICER de J0030 ya ha llevado a una serie de papeles que se presentan en un número de enfoque de Las cartas del diario astrofísico.

Asegúrese de ver este video que también explica los hallazgos de los investigadores, cortesía de NASA Goddard:

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