Figura 1:Instantáneas en 3D de las líneas del campo magnético en la zona convectiva dentro de una estrella de neutrones recién nacida. Los flujos hacia adentro (hacia afuera) están representados por las superficies azules (rojas). Izquierda:fuerte dínamo de campo descubierta para períodos de rotación rápida de unos pocos milisegundos, donde el componente dipolo alcanza 1015 G. Derecha:para una rotación más lenta, el campo magnético es hasta diez veces más débil. Crédito:CEA Sacley
Los magnetares son estrellas de neutrones dotadas de los campos magnéticos más fuertes observados en el universo, pero su origen sigue siendo controvertido. En un estudio publicado en Avances de la ciencia , un equipo de científicos de CEA, Saclay, el Instituto Max Planck de Astrofísica (MPA), y el Institut de Physique du Globe de Paris desarrollaron un modelo informático nuevo y sin precedentes detallado que puede explicar la génesis de estos campos gigantes a través de la amplificación de campos débiles preexistentes cuando las estrellas de neutrones que giran rápidamente nacen en estrellas masivas que colapsan. El trabajo abre nuevas vías para comprender las explosiones más poderosas y luminosas de tales estrellas.
Magnetares:¿que son?
Las estrellas de neutrones son objetos compactos que contienen de una a dos masas solares en un radio de unos 12 kilómetros. Entre ellos, Los magnetares se caracterizan por la emisión eruptiva de rayos X y rayos gamma. La energía asociada con estos estallidos de radiación intensa probablemente esté relacionada con campos magnéticos ultra fuertes. Por lo tanto, los magnetares deberían girar más rápido que otras estrellas de neutrones debido al frenado magnético mejorado, y las mediciones de la evolución de su período de rotación han confirmado este escenario. De este modo inferimos que los magnetares tienen un campo magnético dipolo del orden de 10 15 Gauss (G), es decir., ¡Hasta 1000 veces más fuerte que las típicas estrellas de neutrones! Si bien la existencia de estos tremendos campos magnéticos ahora está bien establecida, su origen sigue siendo controvertido.
¿Cómo se forman?
Las estrellas de neutrones generalmente se forman después del colapso del núcleo de hierro de una estrella masiva de más de nueve masas solares. mientras que las capas externas de la estrella son expulsadas al espacio interestelar en una gigantesca explosión llamada supernova de colapso del núcleo. Por lo tanto, algunas teorías asumen que los campos magnéticos de las estrellas de neutrones y magnetar podrían heredarse de sus estrellas progenitoras, lo que significa que los campos podrían estar completamente determinados por la magnetización del núcleo de hierro antes del colapso. El problema con esta hipótesis es, sin embargo, que campos magnéticos muy fuertes en las estrellas podrían desacelerar la rotación del núcleo estelar de modo que las estrellas de neutrones de tales estrellas magnetizadas girarían solo lentamente.
“Esto no nos permitiría explicar las enormes energías de las explosiones de hipernovas y los estallidos de rayos gamma de larga duración, donde las estrellas de neutrones que giran rápidamente o los agujeros negros que giran rápidamente se consideran las fuentes centrales de las enormes energías, ", comenta el miembro del equipo H.-Thomas Janka de MPA. Por lo tanto, un mecanismo alternativo parece más favorable, en el que los campos magnéticos extremos podrían generarse durante la formación de la propia estrella de neutrones.
Figura 2:Fuerza de la componente dipolar del campo magnético en función del período de rotación. La línea punteada vertical corresponde al período de rotación en el que las fuerzas centrífugas interrumpirían la estrella de neutrones recién nacida. Los puntos azules marcan la amplificación ordinaria de los campos magnéticos cuando la estrella de neutrones gira lentamente. Los puntos rojos corresponden a la rama de dínamo fuerte que aparece para las velocidades de rotación más rápidas. Las propiedades del campo magnético generado en esta rama son compatibles con las propiedades de los magnetares galácticos y las condiciones para impulsar las explosiones estelares más extremas. Crédito:CEA Sacley
En los primeros segundos después del colapso del núcleo estelar, la recién nacida estrella de neutrones calientes se enfría emitiendo neutrinos. Este enfriamiento desencadena fuertes flujos de masa convectivos internos, similar al burbujeo de agua hirviendo en una olla sobre una estufa. Tales movimientos violentos de la materia estelar podrían conducir a la mejora de cualquier campo magnético débil preexistente. Conocido como efecto dínamo, este mecanismo de amplificación de campo está en funcionamiento, por ejemplo, en el núcleo de hierro líquido de la Tierra o en la envoltura convectiva del Sol.
Para probar tal posibilidad para las estrellas de neutrones, el equipo de investigadores utilizó una supercomputadora del Centro Nacional de Computación para la Educación Superior de Francia para simular la convección en un recién nacido, estrella de neutrones muy caliente y que gira rápidamente. En efecto, encontraron con este nuevo enfoque de modelado, que era más detallado que cualquier otro tratamiento utilizado antes, que los campos magnéticos iniciales débiles se pueden amplificar hasta valores que alcanzan 10 dieciséis G para periodos de rotación suficientemente rápidos (ver Fig. 1).
"Nuestros modelos demuestran que los periodos de centrifugado inferiores a unos 8 milisegundos permiten un proceso de dinamo más eficiente que una rotación más lenta, "dice Raphaël Raynaud de CEA, Saclay, el autor principal de la publicación. "Los modelos de rotación más lenta no muestran los enormes campos creados por esta fuerte dinamo".
¿Las bombas cósmicas más grandes?
Además de arrojar luz sobre la formación de magnetar galácticas, Estos resultados abren nuevas vías para comprender las explosiones más poderosas y luminosas de estrellas masivas. Por ejemplo, las supernovas superluminosas emiten cien veces más luz que las supernovas habituales, mientras otros, llamadas hipernovas, se caracterizan por una energía cinética mayor en un factor de diez y, a veces, se asocian con un estallido de rayos gamma que dura varias decenas de segundos. Estas explosiones sobresalientes nos obligan a imaginar procesos no estándar que deben extraer enormes cantidades de energía de un "motor central".
El escenario de "magnetar de milisegundos" es actualmente uno de los modelos más prometedores para el motor central de tales eventos extremos. Considera la energía de rotación de una estrella de neutrones de rotación rápida como el depósito de energía adicional que aumenta el poder de la explosión. Al ejercer un par de frenado, un fuerte campo magnético dipolo de 10 15 G puede transferir la energía de rotación de la estrella de neutrones a la explosión. "Para que este mecanismo sea eficiente, la intensidad del campo debe ser del orden de 10 15 GRAMO, " explains coauthor Jérôme Guilet of CEA, Saclay. "This closely matches the values reached by convective dynamos for millisecond rotation periods" (see Fig. 2).
Hasta ahora, the main weakness of the millisecond magnetar scenario was to assume an ad hoc magnetic field, independent of the fast rotation rate of the neutron star. The results obtained by the research team thus provide theoretical support that was missing to this central engine scenario powering the strongest explosions observed in the universe.
