Observació d’un senyal ultravioleta i òptic que desafia els models dels púlsars

Investigadors de l'Institut d'Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) a l'Institut de Ciències de l'Espai (ICE, CSIC) han participat en el descobriment.

Un estudi liderat per l’Institut Nacional d’Astrofísica italià (INAF), i en el qual els investigadors de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) a l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE, CSIC) Francesco Coti Zelati i Diego F. Torres participen, ha presentat la primera detecció de pulsacions a longituds d’ona òptiques i ultraviolades (UV) d’un púlsar de mil·lisegons en un sistema binari de raigs X durant una fase d’acreció.

El sistema —anomenat SAX J1808.4-3658— està format per una estrella de neutrons i una estrella petita. L'estrella de neutrons, un objecte molt dens, gira ràpidament fent que l'emissió aparegui pulsant, com la llum d'un far. De fet, l’estrella de neutrons gira més ràpid que la majoria de púlsars.

El púlsar es troba en un sistema binari, és a dir, orbita al costat d’una altra estrella de la qual agafa regularment matèria. A més, és un objecte inestable, ja que alterna fases de quiescència amb períodes d'activitat cada tres o quatre anys. L'explosió més recent, la novena des del seu descobriment el 1996, es va registrar entre agost i setembre del 2019. Els investigadors Coti Zelati i Torres afirmen que, en el moment de les observacions a les longituds d'ona òptiques i UV durant aquesta última explosió, el púlsar estava envoltat per un disc d’acreció, mostrava pulsacions de raigs X i tenia una elevada brillantor, el que suggereix que l’estrella de neutrons estava acretant massa.

Fins ara es coneixen una vintena de sistemes similars al SAX J1808.4-3658. Fins a aquesta observació, mai abans no s’havia observat cap impuls a la banda UV procedent de púlsars de sistemes binaris. Segons la banda òptica, els polsos només s’havien vist en cinc púlsars aïllats i en un únic sistema binari.

El descobriment posa a prova els models teòrics que descriuen el comportament dels púlsars en sistemes binaris: segons els investigadors de l’IEEC-ICE que han participat en la troballa, els models d’acreció actuals no expliquen la lluminositat de les pulsacions òptiques i ultraviolades que van detectar, que, en canvi, estan més probablement governades pels processos que tenen lloc a la magnetosfera de l'estrella de neutrons o just fora d'ella.

En aquest context, aquest descobriment demostra que l’acceleració de les partícules carregades fins a velocitats extremadament altes es pot produir a la magnetosfera d’una estrella de neutrons fins i tot quan aquesta última està envoltada de matèria d’acreció. Per tant, els resultats de l’estudi aporten nova llum sobre les propietats de la magnetosfera i la seva interacció amb la matèria d’acreció i, més en general, sobre la física dels púlsars de mil·lisegons en sistemes binaris.

Aquest estudi proporciona un nou enfocament per investigar les estrelles de neutrons que acreten matèria en sistemes binaris: obre una nova perspectiva en la cerca de pulsacions ràpides a longituds d’ona òptiques i ultraviolades procedents de moltes altres estrelles de neutrons que acreten matèria, feblement magnètiques, en sistemes binaris des d’on les pulsacions mai no han estat detectats a altres longituds d’ona, malgrat haver-se dut a terme estudis molt extensos. De fet, gràcies a les molt altes taxes de fotons i a la possibilitat d’explotar el rendiment dels grans telescopis òptics, serà possible assolir una sensibilitat molt superior a les longituds d’ona òptiques i ultraviolades en comparació a la banda de raigs X. En aquest sentit, són especialment importants les estrelles de neutrons que acreten matèria a velocitats molt elevades, ja que la detecció de pulsacions a partir d’aquestes i la determinació precisa de la seva òrbita permetrien augmentar dràsticament la sensibilitat de les cerques d’ones gravitacionals que s’esperen d’aquests sistemes. Això convertiria aquestes estrelles de neutrons en laboratoris sense igual per a estudiar la física de la matèria a densitats supranuclears i en presència de camps magnètics ultraforts.

La detecció de pulsacions òptiques es va dur a terme en observacions realitzades amb el Fotòmetre Astronòmic de Silici Ràpid (SiFAP2, per les seves sigles en anglès) muntat al Telescopi Nacional Galileu (TNG) a l’Observatori Roque de los Muchachos de l’illa de La Palma (Illes Canàries). Aquesta detecció va ser possible gràcies a les funcions exclusives d’aquest instrument, que és capaç d’etiquetar l’hora d’arribada de fotons individuals a longituds d’ona òptiques amb una precisió d’uns quants microsegons fins a comptar velocitats de fins a uns quants milions de recomptes cada segon.

Enllaços

– IEEC
– ICE
– INAF
 
Més informació

Aquesta recerca es presenta en un article titulat “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 apareixerà a la revista Nature Astronomy el 22 de febrer de 2021.

L’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) promou i coordina la recerca i el desenvolupament tecnològic espacial a Catalunya en benefici de la societat. L’IEEC fomenta les col·laboracions tant a nivell local com mundial, i és un eficient agent de transferència de coneixement, innovació i tecnologia.  Com a resultat de més de 20 anys de recerca d’alta qualitat, duta a terme en col·laboració amb les principals organitzacions internacionals, l’IEEC es troba entre els millors centres d’investigació internacionals centrats en àrees com: l’astrofísica, la cosmologia, les ciències planetàries i l’observació de la Terra. La divisió d’enginyeria de l’IEEC desenvolupa instrumentació per a projectes terrestres i espacials, i té una àmplia experiència treballant amb organitzacions privades i públiques del sector aeroespacial així com altres sectors d’innovació.
   
L’IEEC és una fundació privada sense ànim de lucre regida per un Patronat compost per la Generalitat de Catalunya i unes altres quatre institucions amb una unitat científica cadascuna, que en conjunt constitueixen el nucli de l’activitat d’I+D de l’IEEC: la Universitat de Barcelona (UB) amb la unitat científica ICCUB – Institut de Ciències del Cosmos; la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) amb la unitat científica CERES – Centre d’Estudis i Recerca Espacials; la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) amb la unitat científica CTE – Grup de Recerca en Ciències i Tecnologies de l’Espai; i el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) amb la unitat científica ICE – Institut de Ciències de l’Espai. L’IEEC és un centre CERCA (Centres de Recerca de Catalunya).

Imatge

Llegenda: Un púlsar brillant de raigs X que acumula matèria d'una estrella companya (imatge artística d'arxiu)
Crèdits: ESA

Contactes

Oficina de Comunicació de l'IEEC
Barcelona, Espanya
Ana Montaner i Rosa Rodríguez
Correu electrònic: comunicacio@ieec.cat 

Autors Principals a l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE, CSIC)
Barcelona, Espanya
Francesco Coti Zelati 
Correu electrònic: cotizelati@ice.csic.es

Diego F. Torres
Correu electrònic: dtorres@ice.csic.es