Un púlsar viuda negra y su pequeño compañero estelar, visto dentro de su plano orbital. La poderosa radiación y el "viento" del púlsar, una salida de partículas de alta energía, calientan fuertemente el lado opuesto de la estrella a temperaturas dos veces más altas que la superficie del sol. El púlsar está evaporando gradualmente a su compañero, que llena el sistema con gas ionizado y evita que los astrónomos detecten el haz de radio del púlsar la mayor parte del tiempo. Crédito:Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Cruz deWilde
Un equipo de investigación internacional dirigido por el Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein; AEI) en Hannover ha descubierto que el radio pulsar J0952-0607 también emite radiación gamma pulsada. J0952-0607 gira 707 veces en un segundo y ocupa el segundo lugar en la lista de estrellas de neutrones que giran rápidamente. Al analizar aproximadamente 8,5 años de datos del telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA, Observaciones de radio LOFAR de los últimos dos años, observaciones de dos grandes telescopios ópticos, y datos de ondas gravitacionales de los detectores LIGO, el equipo utilizó un enfoque de múltiples mensajeros para estudiar en detalle el sistema binario del púlsar y su ligero compañero. Su estudio publicado en el Diario astrofísico muestra que los sistemas de púlsar extremos se esconden en los catálogos de Fermi y motiva más búsquedas. A pesar de ser muy extenso, el análisis también plantea nuevas preguntas sin respuesta sobre este sistema.
Los púlsares son los remanentes compactos de explosiones estelares que tienen fuertes campos magnéticos y giran rápidamente. Emiten radiación como un faro cósmico y pueden ser observables como púlsares de radio y / o púlsares de rayos gamma dependiendo de su orientación hacia la Tierra.
El púlsar más rápido fuera de los cúmulos globulares
PSR J0952-0607 (el nombre denota la posición en el cielo) fue descubierto por primera vez en 2017 mediante observaciones de radio de una fuente identificada por el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi como posiblemente un púlsar. No se habían detectado pulsaciones de los rayos gamma en los datos del Telescopio de Área Grande (LAT) a bordo de Fermi. Las observaciones con el conjunto de radiotelescopios LOFAR identificaron una fuente de radio pulsante y, junto con las observaciones del telescopio óptico, permitieron medir algunas propiedades del púlsar. Está orbitando el centro de masa común en 6.2 horas con una estrella compañera que solo pesa una quincuagésima parte de nuestro Sol. El púlsar gira 707 veces en un solo segundo y, por lo tanto, es el que gira más rápido en nuestra galaxia fuera de los densos entornos estelares de los cúmulos globulares.
Buscando señales extremadamente débiles
Usando esta información previa sobre el sistema de púlsar binario, Lars Nieder, un doctorado estudiante en el AEI Hannover, se dispuso a ver si el púlsar también emitía rayos gamma pulsados. "Esta búsqueda es extremadamente desafiante porque el telescopio de rayos gamma Fermi solo registró el equivalente a unos 200 rayos gamma del débil púlsar durante los 8,5 años de observaciones. Durante este tiempo, el púlsar giró 220 mil millones de veces. En otras palabras, ¡sólo una de cada mil millones de rotaciones se observó un rayo gamma! ", explica Nieder." Para cada uno de estos rayos gamma, la búsqueda debe identificar exactamente cuándo se emitió durante cada una de las rotaciones de 1,4 milisegundos ".
Esto requiere peinar los datos con una resolución muy fina para no perder ninguna señal posible. La potencia informática requerida es enorme. La búsqueda muy sensible de débiles pulsaciones de rayos gamma habría tardado 24 años en completarse en un solo núcleo de computadora. Al utilizar el clúster de computadoras Atlas en el AEI Hannover, terminó en solo 2 días.
Una extraña primera detección
"Nuestra búsqueda encontró una señal, ¡pero algo andaba mal! La señal era muy débil y no estaba exactamente donde se suponía que debía estar. La razón:nuestra detección de rayos gamma de J0952-0607 había revelado un error de posición en las observaciones iniciales del telescopio óptico que usamos para enfocar nuestro análisis. Nuestro descubrimiento de las pulsaciones de rayos gamma reveló este error, ", explica Nieder." Este error se corrigió en la publicación que informaba sobre el descubrimiento del púlsar de radio. Una nueva y extendida búsqueda de rayos gamma hizo un descubrimiento de púlsar de rayos gamma bastante débil, pero estadísticamente significativo, en la posición corregida ".
Habiendo descubierto y confirmado la existencia de radiación gamma pulsada del púlsar, el equipo volvió a los datos de Fermi y utilizó los 8.5 años completos desde agosto de 2008 hasta enero de 2017 para determinar los parámetros físicos del púlsar y su sistema binario. Dado que la radiación gamma de J0952-0607 era tan débil, tuvieron que mejorar su método de análisis desarrollado previamente para incluir correctamente todas las incógnitas.
El perfil de pulso (distribución de fotones de rayos gamma durante una rotación del púlsar) de J0952-0607 se muestra en la parte superior. A continuación se muestra la distribución correspondiente de los fotones individuales durante los diez años de observaciones. La escala de grises muestra la probabilidad (pesos de los fotones) de que los fotones individuales se originen en el púlsar. Desde mediados de 2011 en adelante, los fotones se alinean a lo largo de las pistas correspondientes al perfil del pulso. Esto muestra la detección de pulsaciones de rayos gamma, que no es posible antes de mediados de 2011. Crédito:L. Nieder / Instituto Max Planck de Física Gravitacional
Otra sorpresa:sin pulsaciones de rayos gamma antes de julio de 2011
La solución derivada contenía otra sorpresa, porque era imposible detectar pulsaciones de rayos gamma del púlsar en los datos anteriores a julio de 2011. Se desconoce la razón por la que el púlsar sólo parece mostrar pulsaciones después de esa fecha. Las variaciones en la cantidad de rayos gamma que emitió podrían ser una de las razones, pero el púlsar es tan débil que no fue posible probar esta hipótesis con suficiente precisión. Los cambios en la órbita del púlsar observados en sistemas similares también podrían ofrecer una explicación, pero ni siquiera había un indicio en los datos de que esto estuviera sucediendo.
Las observaciones ópticas plantean más preguntas
El equipo también utilizó observaciones con el Telescopio de Nueva Tecnología de ESO en La Silla y el Gran Telescopio Canarias en La Palma para examinar la estrella compañera del púlsar. Lo más probable es que esté bloqueado por mareas al púlsar como la Luna a la Tierra, de modo que un lado siempre se enfrenta al púlsar y se calienta con su radiación. Mientras que el compañero orbita el centro de masa del sistema binario, su lado cálido "día" y el lado más frío "nocturno" son visibles desde la Tierra y el brillo y el color observados varían.
Estas observaciones crean otro acertijo. Mientras que las observaciones de radio apuntan a una distancia de aproximadamente 4, 400 años luz hasta el púlsar, las observaciones ópticas implican una distancia aproximadamente tres veces mayor. Si el sistema estuviera relativamente cerca de la Tierra, Contaría con un compañero de alta densidad extremadamente compacto nunca antes visto, mientras que distancias mayores son compatibles con las densidades de compañeros de púlsares similares conocidos. Una explicación de esta discrepancia podría ser la existencia de ondas de choque en el viento de partículas del púlsar, lo que podría provocar un calentamiento diferente del acompañante. Más observaciones de rayos gamma con observaciones de Fermi LAT deberían ayudar a responder esta pregunta.
Buscando ondas gravitacionales continuas
Otro grupo de investigadores del AEI Hannover buscó la emisión continua de ondas gravitacionales del púlsar utilizando datos LIGO de la primera (O1) y la segunda (O2) ejecución de observación. Los púlsares pueden emitir ondas gravitacionales cuando tienen pequeñas colinas o protuberancias. La búsqueda no detectó ondas gravitacionales, lo que significa que la forma del púlsar debe estar muy cerca de una esfera perfecta con las protuberancias más altas de menos de una fracción de milímetro.
Estrellas de neutrones que giran rápidamente
Comprender los púlsares que giran rápidamente es importante porque son sondas de física extrema. Se desconoce qué tan rápido pueden girar las estrellas de neutrones antes de separarse de las fuerzas centrífugas y depende de la física nuclear desconocida. Los púlsares de milisegundos como J0952-0607 están girando tan rápidamente porque han sido impulsados por la acumulación de materia de su compañero. Se cree que este proceso entierra el campo magnético del púlsar. Con las observaciones de rayos gamma a largo plazo, el equipo de investigación demostró que J0952-0607 tiene uno de los diez campos magnéticos más bajos jamás medidos para un púlsar, coherente con las expectativas de la teoría.
"Seguiremos estudiando este sistema con rayos gamma, radio, y observatorios ópticos ya que aún quedan preguntas sin respuesta al respecto. Este descubrimiento también muestra una vez más que los sistemas de púlsar extremos se esconden en el catálogo de Fermi LAT, "dice el profesor Bruce Allen, Ph.D. de Nieder supervisor y director de la AEI Hannover. "También estamos empleando nuestro proyecto de computación distribuida de ciencia ciudadana Einstein @ Home para buscar sistemas de púlsar de rayos gamma binarios en otras fuentes LAT de Fermi y confiamos en hacer descubrimientos más emocionantes en el futuro".
