Observaciones de PSR J1826-1256, un púlsar radio silencioso de rayos gamma, obtenido con el observatorio de rayos X XMM-Newton de la ESA. Los científicos descubrieron la emisión pulsada de rayos X de esta y dos fuentes similares utilizando un modelo teórico que predice el brillo de rayos X no térmicos de un púlsar sobre la base de su brillo de rayos gamma observado. Este púlsar tiene un período de 110,2 milisegundos, apareciendo alternativamente más tenue y más brillante a medida que sus rayos de radiación apuntan hacia y desde la Tierra. Con fines ilustrativos, El parpadeo del púlsar se muestra 10 veces más lento que el real en esta vista animada. Crédito:ESA / XMM-Newton / J. Li, DESY, Alemania
Basado en un nuevo modelo teórico, un equipo de científicos exploró el rico archivo de datos de los observatorios espaciales XMM-Newton de la ESA y Chandra de la NASA para encontrar emisiones de rayos X pulsantes de tres fuentes. El descubrimiento, basándose en observaciones previas de rayos gamma de los púlsares, proporciona una nueva herramienta para investigar los misteriosos mecanismos de emisión de púlsar, lo que será importante para comprender estos fascinantes objetos y utilizarlos para la navegación espacial en el futuro.
Faros del Universo, Los púlsares son estrellas de neutrones de rotación rápida que emiten rayos de radiación. A medida que los púlsares giran y los rayos apuntan alternativamente hacia y desde la Tierra, la fuente oscila entre estados más brillantes y más tenues, resultando en una señal que parece 'pulsar' cada pocos milisegundos a segundos, con una regularidad que rivaliza incluso con los relojes atómicos.
Los púlsares son increíblemente densos, extremadamente magnético, reliquias de estrellas masivas, y se encuentran entre los objetos más extremos del Universo. Comprender cómo se comportan las partículas en un campo magnético tan fuerte es fundamental para comprender cómo la materia y los campos magnéticos interactúan de manera más general.
Detectado originalmente a través de su emisión de radio, Ahora se sabe que los púlsares también emiten otros tipos de radiación, aunque normalmente en cantidades más pequeñas. Parte de esta emisión es radiación térmica estándar, del tipo que emite todo con una temperatura superior al cero absoluto. Los púlsares liberan radiación térmica cuando acumulan materia, por ejemplo de otra estrella.
Pero los púlsares también emiten radiación no térmica, como suele producirse en los entornos cósmicos más extremos. En púlsares, La radiación no térmica se puede crear mediante dos procesos:emisión de sincrotrón y emisión de curvatura. Ambos procesos implican la aceleración de partículas cargadas a lo largo de las líneas del campo magnético, provocando que irradien luz que puede variar en longitud de onda desde ondas de radio hasta rayos gamma.
Los rayos X no térmicos resultan principalmente de la emisión de sincrotrón, mientras que los rayos gamma pueden provenir de la llamada emisión de curvatura sincronizada, una combinación de los dos mecanismos. Es relativamente fácil encontrar púlsares que irradian rayos gamma:el telescopio espacial Fermi de rayos gamma de la NASA ha detectado más de 200 de ellos durante la última década. gracias a su capacidad de escanear todo el cielo. Pero se ha encontrado que solo alrededor de 20 pulsos en rayos X no térmicos.
"A diferencia de los instrumentos topográficos de detección de rayos gamma, Los telescopios de rayos X deben saber exactamente dónde apuntar, por lo que debemos brindarles algún tipo de orientación, "dice Diego Torres, del Instituto de Ciencias del Espacio de Barcelona, España.
Consciente de que debería haber muchos púlsares que emitan rayos X no térmicos no detectados previamente, Torres desarrolló un modelo que combinaba la radiación de sincrotrón y de curvatura para predecir si también se podía esperar que los púlsares detectados en los rayos gamma aparecieran en los rayos X.
"Los modelos científicos describen fenómenos que no se pueden experimentar directamente, "explica Torres.
"Este modelo en particular ayuda a explicar los procesos de emisión en púlsares y puede usarse para predecir la emisión de rayos X que debemos observar, basado en la emisión conocida de rayos gamma ".
El modelo describe la emisión de rayos gamma de púlsares detectados por Fermi, específicamente, el brillo observado en diferentes longitudes de onda, y combina esta información con tres parámetros que determinan la emisión del púlsar. Esto permite una predicción de su brillo en otras longitudes de onda, por ejemplo en radiografías.
Emisión de rayos X y rayos gamma observados de tres púlsares:J1747-2958 (izquierda), J2021 + 3651 (centro), y J1826-1256 (derecha). La emisión pulsada de rayos X se descubrió utilizando un modelo teórico que predice el brillo de rayos X no térmicos de un púlsar sobre la base de su brillo de rayos gamma observado. Las observaciones de rayos gamma son del telescopio espacial Fermi de rayos gamma de la NASA; las observaciones de rayos X son del observatorio de rayos X Chandra de la NASA (izquierda y centro) y del observatorio de rayos X XMM-Newton de la ESA (derecha). La curva roja en los gráficos representa el mejor ajuste del modelo que describe la emisión general de las fuentes en comparación con los datos observados (símbolos negros). En la fila superior, el ajuste se realizó utilizando solo los datos de rayos gamma:el valor en el rango de energía de rayos X representa la predicción teórica, que está bastante cerca de lo que se reveló más tarde en las observaciones. En la fila inferior el ajuste también incluye los datos de rayos X, proporcionando una descripción más precisa del fenómeno utilizando el mismo modelo. Crédito:Adaptado de J. Li et al. (2018)
Torres se asoció con un equipo de científicos, dirigido por Jian Li del Sincrotrón Deutsches Elektronen en Zeuthen, cerca de Berlín, Alemania, para seleccionar tres púlsares emisores de rayos gamma conocidos que esperaban, basado en el modelo, para brillar también intensamente en los rayos X. Buscaron en los archivos de datos de los observatorios de rayos X XMM-Newton de la ESA y Chandra de la NASA para buscar evidencia de emisión de rayos X no térmicos de cada uno de ellos.
"No solo detectamos pulsaciones de rayos X de los tres púlsares, pero también encontramos que el espectro de rayos X era casi el mismo que el predicho por el modelo, "explica Li.
"Esto significa que el modelo describe con mucha precisión los procesos de emisión dentro de un púlsar".
En particular, Los datos de XMM-Newton mostraron una clara emisión de rayos X de PSR J1826-1256, un púlsar radio silencioso de rayos gamma con un período de 110,2 milisegundos. El espectro de luz recibido de este púlsar fue muy cercano al predicho por el modelo. Emisión de rayos X de los otros dos púlsares, que ambos giran un poco más rápido, fue revelado usando datos de Chandra.
Este descubrimiento ya representa un aumento significativo en el número total de púlsares que se sabe que emiten rayos X no térmicos. El equipo espera que se descubran muchos más en los próximos años, ya que el modelo se puede utilizar para determinar dónde buscarlos exactamente.
Encontrar más púlsares de rayos X es importante para revelar sus propiedades globales, incluidas las características de la población. Una mejor comprensión de los púlsares también es esencial para aprovechar potencialmente sus señales de sincronización precisas para futuros esfuerzos de navegación espacial.
El resultado es un paso hacia la comprensión de las relaciones entre la emisión de los púlsares en diferentes partes del espectro electromagnético, permitiendo una forma robusta de predecir el brillo de un púlsar en cualquier longitud de onda dada. Esto nos ayudará a comprender mejor la interacción entre las partículas y los campos magnéticos en los púlsares y más allá.
"Este modelo puede hacer predicciones precisas de la emisión de rayos X de púlsares, y también puede predecir la emisión en otras longitudes de onda, por ejemplo, visible y ultravioleta, Torres continúa.
"En el futuro, esperamos encontrar nuevos púlsares que lleven a una mejor comprensión de sus propiedades globales ".
El estudio destaca los beneficios del vasto archivo de datos de XMM-Newton para realizar nuevos descubrimientos y muestra las impresionantes capacidades de la misión para detectar fuentes relativamente débiles. El equipo también espera poder utilizar la próxima generación de telescopios espaciales de rayos X, incluida la futura misión Athena de la ESA, para encontrar aún más púlsares que emitan rayos X no térmicos.
"Como buque insignia de la astronomía europea de rayos X, XMM-Newton está detectando más fuentes de rayos X que cualquier satélite anterior. Es asombroso ver que está ayudando a resolver tantos misterios cósmicos, "concluye Norbert Schartel, Científico del proyecto XMM-Newton en la ESA.
