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    El sistema binario de rayos gamma más brillante de Galaxys puede ser impulsado por un magnetar

    Una impresión del sistema binario de rayos gamma LS 5039. Una estrella de neutrones (izquierda) y su masiva, estrella compañera (derecha). El equipo de investigación sugiere que la estrella de neutrones en el corazón de LS 5039 tiene un campo magnético ultra fuerte, y podría decirse que es una magnetar. El campo acelera las partículas de alta energía dentro de la región en forma de arco, emitiendo así rayos gamma que caracterizan el sistema binario de rayos gamma. Crédito:Kavli IPMU

    Un equipo de investigadores dirigido por miembros del Instituto Kavli para la Física y las Matemáticas del Universo (Kavli IPMU) ha analizado los datos recopilados previamente para inferir la verdadera naturaleza de un objeto compacto, que se encuentra que es un magnetar giratorio, un tipo de estrella de neutrones con un campo magnético extremadamente fuerte, orbitando dentro de LS 5039, el sistema binario de rayos gamma más brillante de la Galaxia.

    Incluyendo al ex estudiante de posgrado Hiroki Yoneda, El científico principal Kazuo Makishima y el investigador principal Tadayuki Takahashi en Kavli IMPU, el equipo también sugiere que el proceso de aceleración de partículas que se sabe que ocurre dentro de LS 5039 es causado por interacciones entre los densos vientos estelares de su estrella masiva primaria, y campos magnéticos ultra fuertes del magnetar giratorio.

    Los binarios de rayos gamma son un sistema de estrellas de alta energía y estrellas compactas. Fueron descubiertos solo recientemente, en 2004, cuando se hicieron posibles las observaciones de rayos gamma de muy alta energía en la banda de teraelectronvoltios (TeV) desde regiones suficientemente grandes del cielo. Cuando se ve con luz visible, Los binarios de rayos gamma aparecen como estrellas brillantes de color blanco azulado, y son indistinguibles de cualquier otro sistema binario que albergue una estrella masiva. Sin embargo, cuando se observa con rayos X y rayos gamma, sus propiedades son dramáticamente diferentes de las de otros binarios. En estas bandas de energía los sistemas binarios ordinarios son completamente invisibles, pero las binarias de rayos gamma producen una intensa emisión no térmica, y su intensidad parece aumentar y disminuir según sus períodos orbitales de varios días a varios años.

    Una vez que los binarios de rayos gamma se establecieron como una nueva clase astrofísica, rápidamente se reconoció que un mecanismo de aceleración extremadamente eficiente debería operar en ellos. Si bien la aceleración de las partículas de TeV requiere decenas de años en remanentes de supernova, que son reconocidos aceleradores cósmicos, Los binarios de rayos gamma aumentan la energía de los electrones más allá de 1 TeV en solo decenas de segundos. Por lo tanto, las binarias de rayos gamma pueden considerarse uno de los aceleradores de partículas más eficientes del Universo.

    Además, Se sabe que algunas binarias de rayos gamma emiten fuertes rayos gamma con energías de varios megaelectrones voltios (MeV). Los rayos gamma en esta banda son actualmente difíciles de observar; fueron detectados en solo alrededor de 30 cuerpos celestes en todo el cielo. Pero el hecho de que tales binarios emitan una fuerte radiación incluso en esta banda de energía aumenta enormemente el misterio que los rodea. e indica un proceso de aceleración de partículas extremadamente eficaz que se lleva a cabo dentro de ellos.

    Hasta ahora se han encontrado alrededor de 10 binarios de rayos gamma en la Galaxia, en comparación con más de 300 binarios de rayos X que se sabe que existen. Se desconoce por qué los binarios de rayos gamma son tan raros, y, Por supuesto, cuál es la verdadera naturaleza de su mecanismo de aceleración, ha sido un misterio, hasta ahora.

    A través de estudios previos, ya estaba claro que un binario de rayos gamma generalmente está hecho de una estrella primaria masiva que pesa entre 20 y 30 veces la masa del Sol, y una estrella compañera que debe ser una estrella compacta, pero no estaba claro, en muchos casos, si la estrella compacta es un agujero negro o una estrella de neutrones. El equipo de investigación comenzó su intento averiguando cuál es generalmente el caso.

    Una de las pruebas más directas de la presencia de una estrella de neutrones es la detección de pulsaciones rápidas periódicas, que están relacionados con la rotación de la estrella de neutrones. La detección de tal pulsación de un binario de rayos gamma descarta casi sin duda el escenario del agujero negro.

    En este proyecto, el equipo se centró en LS 5039, que fue descubierto en 2005, y aún mantener su posición como el binario de rayos gamma más brillante en el rango de rayos X y rayos gamma. En efecto, Se pensaba que este binario de rayos gamma contenía una estrella de neutrones debido a su radiación estable de rayos X y rayos gamma TeV. Sin embargo, hasta ahora, Los intentos de detectar tales pulsos se habían realizado con ondas de radio y rayos X suaves, y debido a que las ondas de radio y los rayos X suaves se ven afectados por los vientos estelares de la estrella primaria, la detección de estos pulsos periódicos no había tenido éxito.

    Esta vez, por primera vez, el equipo se centró en la banda de rayos X dura (> 10 keV) y datos de observación del LS 5039 recopilados por el detector de rayos X duros (HXD) a bordo de los telescopios espaciales Suzaku (entre el 9 y el 15 de septiembre de 2007) y NuSTAR (entre el 1 y el 5 de septiembre, 2016) —de hecho, el período de observación de Suzaku de seis días fue el más largo hasta ahora con rayos X duros.

    Ambas observaciones, mientras está separado por nueve años, proporcionó evidencia de una estrella de neutrones en el núcleo de LS 5039:la señal periódica de Suzaku con un período de aproximadamente 9 segundos. La probabilidad de que esta señal surja de fluctuaciones estadísticas es solo del 0,1 por ciento. NuSTAR también mostró una señal de pulso muy similar, aunque la importancia del pulso fue menor:los datos de NuSTAR, por ejemplo, fue solo tentativo. Al combinar estos resultados, También se infirió que el período de rotación aumenta en 0.001 s cada año.

    Según el período de giro derivado y la tasa de su aumento, el equipo descartó los escenarios de rotación y acreción, y descubrió que la energía magnética de la estrella de neutrones es la única fuente de energía que puede alimentar LS 5039. El campo magnético requerido alcanza 10 11 T, que es 3 órdenes de magnitud mayor que los de las típicas estrellas de neutrones. Este valor se encuentra entre los llamados magnetares, una subclase de estrellas de neutrones que tienen un campo magnético extremadamente fuerte. El período de pulso de 9 segundos es típico de los magnetares, y este fuerte campo magnético evita que el viento estelar de la estrella primaria sea capturado por una estrella de neutrones, lo que puede explicar por qué LS 5039 no exhibe propiedades similares a los púlsares de rayos X (los púlsares de rayos X generalmente ocurren en sistemas binarios de rayos X, donde los vientos estelares son capturados por su estrella compañera).

    Curiosamente, los 30 magnetares que se han encontrado hasta ahora se han encontrado como estrellas aisladas, por lo que su existencia en binarios de rayos gamma no se consideró una idea convencional. Además de esta nueva hipótesis, el equipo sugiere una fuente que alimenta la emisión no térmica dentro del LS 5039; proponen que la emisión es causada por una interacción entre los campos magnéticos de la magnetar y los densos vientos estelares. En efecto, sus cálculos sugieren que los rayos gamma con energías de varios megaelectronvoltios, que no ha sido claro, pueden emitirse fuertemente si se producen en una región de un campo magnético extremadamente fuerte, cerca de un magnetar.

    Estos resultados resuelven potencialmente el misterio de la naturaleza del objeto compacto dentro del LS 5039, y el mecanismo subyacente que alimenta el sistema binario. Sin embargo, Se necesitan más observaciones y refinamiento de su investigación para arrojar nueva luz sobre sus hallazgos.


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