La misteriosa «araña» cósmica encontró una fuente de poderosos rayos gamma

Impresión artística de un sistema binario en evolución de una enana blanca (primer plano) y un púlsar de milisegundos (fondo). Utilizando el telescopio SOAR de 4,1 metros en Cerro Pachón en Chile, parte del Observatorio Interamericano Cerro Tololo, un programa de NOIRLab de NSF, los astrónomos descubrieron el primer ejemplo de un sistema binario que consiste en una enana blanca en evolución en órbitas de un púlsar de milisegundos, donde el púlsar de milisegundos se encuentra en la etapa final del proceso de giro. La fuente, detectada originalmente por el telescopio espacial Fermi, es un «eslabón perdido» en la evolución de tales sistemas binarios. Crédito: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva / Spaceengine Agradecimientos: M. Zamani (NSF NOIRLab)

Investigado por el telescopio SOAR operado por NOIRLab, el sistema binario es el primero que se encuentra en la penúltima etapa de su evolución.

Utilizando el telescopio SOAR de 4,1 metros en Chile, los astrónomos han descubierto el primer ejemplo de un sistema binario en el que una estrella está a punto de convertirse enano blanco está en órbita un estrella neutrón que acaba de terminar de convertirse en un giro rápido púlsar. El par, detectado originalmente por el telescopio espacial de rayos gamma Fermi, es un «eslabón perdido» en la evolución de tales sistemas binarios.

Se ha descubierto que una fuente brillante y misteriosa de rayos gamma es una estrella de neutrones que gira rápidamente, denominada púlsar de milisegundos, que orbita una estrella a punto de convertirse en una estrella enana blanca de masa extremadamente baja. Los astrónomos se refieren a estos tipos de sistemas binarios como «arañas» porque el púlsar tiende a «comerse» las partes exteriores de la estrella compañera a medida que se transforma en una enana blanca.

El dúo fue detectado por astrónomos utilizando el telescopio SOAR de 4,1 metros en Cerro Pachón en Chile, parte del Observatorio Interamericano de Cerro Tololo (CTIO), un programa de NOIRLab de NSF.

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NASAEl telescopio espacial de rayos gamma Fermi ha catalogado objetos en el Universo que producen abundantes rayos gamma desde su lanzamiento en 2008, pero no todas las fuentes de rayos gamma que detecta han sido clasificadas. Una de esas fuentes, denominada 4FGL J1120.0-2204 por los astrónomos, era la segunda fuente de rayos gamma más brillante de todo el cielo que no había sido identificada hasta ahora.

Astrónomos de Estados Unidos y Canadá, dirigidos por Samuel Swihart del Laboratorio de Investigación Naval de Estados Unidos en Washington, DC, utilizaron el espectrógrafo Goodman en el telescopio SOAR para determinar la verdadera identidad de 4FGL J1120.0-2204. Se ha demostrado que la fuente de rayos gamma, que también emite rayos X, según lo observado por los telescopios espaciales Swift de la NASA y XMM-Newton de la ESA, es un sistema binario que consiste en un «púlsar de un milisegundo» que gira cientos de veces al día. segundo, y el precursor de una enana blanca de masa extremadamente baja. La pareja está a más de 2.600 años luz de distancia.

«El tiempo de la Universidad Estatal de Michigan en el telescopio SOAR, su ubicación en el hemisferio sur y la precisión y estabilidad del espectrógrafo Goodman fueron aspectos importantes de este descubrimiento», dice Swihart.

«Este es un gran ejemplo de cómo los telescopios de tamaño mediano en general, y los SOAR en particular, pueden usarse para ayudar a caracterizar descubrimientos inusuales realizados con otras estructuras terrestres y espaciales», señala Chris Davis, director del programa NOIRLab en el National Science de EE. UU. Fundación. «Esperamos que SOAR desempeñe un papel crucial en el seguimiento de muchas otras fuentes variables en el tiempo y de múltiples mensajes durante la próxima década».

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El espectro óptico del sistema binario medido por el espectrógrafo de Goodman mostró que la luz de la proto-enana blanca compañera está desplazada por Doppler, cambia alternativamente a rojo y azul, lo que indica que orbita una estrella de neutrones compacta y masiva cada 15 horas.

«Los espectros también nos permitieron limitar la temperatura aproximada y la gravedad de la superficie de la estrella compañera», dice Swihart, cuyo equipo pudo tomar estas propiedades y aplicarlas a modelos que describen cómo evolucionan los sistemas de estrellas binarias. Esto les permitió determinar que la compañera es la precursora de una enana blanca de masa extremadamente baja con una temperatura superficial de 8200 °C (15 000 °F) y una masa de solo el 17 % de la del Sol.

Cuando una estrella con una masa similar a la del Sol o menos llegue al final de su vida, se quedará sin hidrógeno utilizado para impulsar los procesos de fusión nuclear en su núcleo. Durante un tiempo, el helio se hace cargo y alimenta la estrella, lo que hace que se contraiga y se caliente, y que se expanda y evolucione hasta convertirse en una gigante roja de cientos de millones de kilómetros de diámetro. Eventualmente, las capas externas de esta estrella hinchada pueden acumularse en una compañera binaria y la fusión nuclear se interrumpe, dejando atrás una enana blanca del tamaño de la Tierra que chisporrotea a temperaturas superiores a los 100 000 °C (180 000 °F).

La protoenana blanca del sistema 4FGL J1120.0-2204 aún no ha terminado de evolucionar. «Actualmente está hinchado y tiene un radio unas cinco veces mayor que el de las enanas blancas normales con masas similares», dice Swihart. «Continuará enfriándose y contrayéndose y, en unos dos mil millones de años, se verá idéntica a muchas de las enanas blancas de masa extremadamente baja que ya conocemos».

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Los púlsares de milisegundos giran cientos de veces por segundo. Son hilados a partir de la materia de acreción por un compañero, en este caso de la estrella que se convirtió en la enana blanca. La mayoría de los púlsares de milisegundos emiten rayos gamma y rayos X, a menudo cuando el viento del púlsar, que es una corriente de partículas cargadas que emanan de la estrella de neutrones en rotación, choca con el material emitido por una estrella compañera.

Se conocen alrededor de 80 enanas blancas de masa extremadamente baja, pero «este es el primer precursor de una enana blanca de masa extremadamente baja que probablemente orbite alrededor de una estrella de neutrones», dice Swihart. En consecuencia, 4FGL J1120.0-2204 es una mirada única a la cola de este proceso de aceleración. Todas las demás binarias púlsar-enana blanca que se han descubierto están mucho más allá de la fase de giro.

«La espectroscopia de seguimiento con el telescopio SOAR, apuntando a fuentes de rayos gamma de Fermi no asociadas, nos permitió ver que el compañero estaba orbitando algo», dice Swihart. «Sin estas observaciones, no podríamos haber encontrado este emocionante sistema».

Referencia: «4FGL J1120.0–2204: Un binario de estrella de neutrones brillante de rayos gamma único con una enana protoblanca de masa extremadamente baja» por Samuel J. Swihart, Jay Strader, Elias Aydi, Laura Chomiuk, Kristen C. Dage, Adam Kawash, Kirill V. Sokolovsky, Elizabeth C. Ferrara, Aceptado, El diario astrofísico.
arXiv: 2201.03589

El equipo está formado por Samuel J. Swihart (Investigador asociado del Consejo Nacional de Investigación, Academia Nacional de Ciencias y Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU., Washington, DC), Jay Strader (Centro de Astronomía Intensiva de Datos y Dominio del Tiempo, Departamento de Física y Astronomía, Estado University), Elias Aydi (Departamento de Física, Universidad McGill, Canadá), Laura Chomiuk (Instituto Espacial McGill, Universidad McGill, Canadá), Kristen C. Dage (Instituto Espacial McGill y Departamento de Física, Universidad McGill, Canadá), Adam Kawash (Centro de Astronomía Intensiva en Datos y en el Dominio del Tiempo, Departamento de Física y Astronomía, Universidad Estatal de Michigan), Kirill V. Sokolovsky (Centro de Astronomía Intensiva en Datos y en el Dominio del Tiempo, Departamento de Física y Astronomía, Universidad Estatal de Michigan) y Elizabeth C. Ferrara (Departamento de Astronomía de la Universidad de Maryland y Centro de Exploración y Estudios Espaciales (CRESST) del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA).

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