Observación de una señal ultravioleta y óptica que desafía los modelos de los púlsares

Investigadores del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE, CSIC) han participado en el descubrimiento.

Un estudio liderado por el Instituto Nacional de Astrofísica italiano (INAF), y en el que los investigadores del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE, CSIC) Francesco Coti Zelati y Diego F. Torres participan, ha presentado la primera detección de pulsos en longitudes de onda ópticas y ultravioletas (UV) de un púlsar de milisegundos en un sistema binario de rayos X durante una fase de acreción.

El sistema —denominado SAX J1808.4-3658— está formado por una estrella de neutrones y una estrella pequeña. La estrella de neutrones, un objeto muy denso, gira rápidamente haciendo que la emisión aparezca pulsante, como la luz de un faro. De hecho, la estrella de neutrones gira más rápido que la mayoría de púlsares.

El púlsar se encuentra en un sistema binario, es decir, orbita junto a otra estrella de la que recoge regularmente materia. Además, es un objeto inestable, ya que alterna fases de quiescencia con períodos de actividad cada tres o cuatro años. La explosión más reciente, la novena desde su descubrimiento en 1996, se registró entre agosto y septiembre de 2019. Los investigadores Coti Zelati y Torres afirman que, en el momento de las observaciones en las longitudes de onda ópticas y UV durante esta última explosión, el púlsar estaba rodeado por un disco de acreción, mostraba pulsos de rayos X y tenía un elevado brillo, lo que sugiere que la estrella de neutrones estaba acretando masa.

Hasta ahora se conocen una veintena de sistemas similares al SAX J1808.4-3658. Hasta esta observación, nunca antes se había observado ningún impulso en la banda UV procedente de púlsares de sistemas binarios. Según la banda óptica, los pulsos solo se habían visto en cinco púlsares aislados y en un único sistema binario. 

El descubrimiento pone a prueba los modelos teóricos que describen el comportamiento de los púlsares en sistemas binarios: según los investigadores del IEEC-ICE que han participado en el hallazgo, los modelos de acreción actuales no explican la luminosidad de los pulsos ópticos y ultravioletas que detectaron, que, en cambio, están más probablemente gobernados por los procesos que tienen lugar en la magnetosfera de la estrella de neutrones o justo fuera de ella.

En este contexto, este descubrimiento demuestra que la aceleración de las partículas cargadas hasta velocidades extremadamente altas se puede producir en la magnetosfera de una estrella de neutrones incluso cuando esta última está rodeada de materia de acreción. Por lo tanto, los resultados del estudio aportan nueva luz sobre las propiedades de la magnetosfera y su interacción con la materia de acreción y, más en general, sobre la física de los púlsares de milisegundos en sistemas binarios.

Este estudio proporciona un nuevo enfoque para investigar las estrellas de neutrones que acretan materia en sistemas binarios: abre una nueva perspectiva en la búsqueda de pulsos rápidos en longitudes de onda ópticas y ultravioletas procedentes de muchas otras estrellas de neutrones que acretan materia, débilmente magnéticas, en sistemas binarios desde donde los pulsos nunca han sido detectados en otras longitudes de onda, a pesar de haberse llevado a cabo estudios muy extensos. De hecho, gracias a las muy altas tasas de fotones y a la posibilidad de explotar el rendimiento de los grandes telescopios ópticos, será posible alcanzar una sensibilidad muy superior en las longitudes de onda ópticas y ultravioletas en comparación con la banda de rayos X. En este sentido, son especialmente importantes las estrellas de neutrones que acretan materia a velocidades muy elevadas, ya que la detección de pulsos a partir de éstas y la determinación precisa de su órbita permitirían aumentar drásticamente la sensibilidad de las búsquedas de ondas gravitacionales que se esperan de estos sistemas. Esto convertiría estas estrellas de neutrones en laboratorios sin igual para estudiar la física de la materia a densidades supranucleares y en presencia de campos magnéticos ultrafuertes.

La detección de pulsos ópticos se llevó a cabo en observaciones realizadas con el Fotómetro Astronómico de Silicio Rápido (SiFAP2, por sus siglas en inglés) montado en el Telescopio Nacional Galileo (TNG) en el Observatorio Roque de los Muchachos de la isla de la Palma (Islas Canarias). Esta detección fue posible gracias a las funciones exclusivas de este instrumento, que es capaz de etiquetar la hora de llegada de fotones individuales en longitudes de onda ópticas con una precisión de unos pocos microsegundos hasta contar velocidades de hasta unos cuantos millones de recuentos por segundo.

Enlaces

– IEEC
– ICE
– INAF

Más información

Esta investigación se presenta en un artículo titulado “Optical and ultraviolet pulsed emission from an accreting millisecond pulsar”, de F. Ambrosino, A. Miraval Zanon, A. Papitto, F. Coti Zelati, S. Campana, P. D'Avanzo, L. Stella, T. Di Salvo, L. Burderi, P. Casella, A. Sanna, D. de Martino, M. Cadelano, A. Ghedina, F. Leone, F. Meddi, P. Cretaro, MC Baglio, E. Poretti, RP Mignani, DF Torres, et al. que aparecerá en la revista Nature Astronomy el 22 de febrero de 2021.

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Imagen

Leyenda: Un púlsar brillante de rayos X que acumula materia de una estrella compañera (imagen artística de archivo)
Créditos: ESA

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