Pulsar y disco de acreción, esta es la interpretación de un artista. Crédito:Instituto de Física y Tecnología de Moscú
Un equipo internacional de astrofísicos que incluye científicos rusos del Instituto de Investigación Espacial de la Academia de Ciencias de Rusia (RAS), MIPT, y el Observatorio Pulkovo de RAS ha detectado una abrupta disminución de la luminosidad del púlsar después de estallidos gigantes. El fenómeno está asociado con el llamado "efecto hélice, "que se predijo hace más de 40 años. Sin embargo, Este es el primer estudio que observa de manera confiable la transición de los dos púlsares de rayos X 4U 0115 + 63 y V 0332 + 53 al "régimen de hélice". Los resultados de las observaciones, las conclusiones alcanzadas por los investigadores, y los cálculos relevantes se publicaron en Astronomía y Astrofísica .
Las dos fuentes estudiadas, 4U 0115 + 63 y V 0332 + 53, pertenecen a una clase bastante especial de púlsares de rayos X transitorios. Estas estrellas actúan alternativamente como fuentes débiles de rayos X, sufrir arrebatos gigantes, y desaparecer de la vista por completo. Las transiciones de los púlsares entre diferentes estados proporcionan información valiosa sobre su campo magnético y la temperatura de la materia circundante. Dicha información es indispensable, ya que los campos magnéticos inmensamente fuertes y las temperaturas extremadamente altas hacen que las mediciones directas sean imposibles en un laboratorio en la Tierra.
El nombre de un púlsar está precedido por una letra que designa el primer observatorio en descubrirlo, seguido de un código numérico que contiene las coordenadas del púlsar. La "V" se refiere a Vela 5B, un satélite militar estadounidense que se lanzó para espiar a los soviéticos. En cuanto a "4U" en el otro nombre, representa el cuarto catálogo de Uhuru, compilado por el primer observatorio en órbita dedicado específicamente a la astronomía de rayos X. Tras el descubrimiento del primer púlsar, originalmente se conocía como "LGM-1" (para "hombrecitos verdes"), porque era una fuente de pulsos de radio regulares, lo que lleva a los científicos a creer que podrían haber recibido una señal de extraterrestres inteligentes.
Un púlsar de rayos X es una estrella de neutrones que gira rápidamente con un fuerte campo magnético. Una estrella de neutrones puede formar parte de un sistema binario. En un proceso que los astrofísicos llaman acreción, la estrella de neutrones puede canalizar el gas de su compañera estelar normal. El gas atraído gira en espiral hacia la estrella de neutrones, formando un disco de acreción, que se interrumpe en el radio de la magnetosfera. Durante la acreción, la materia penetra hasta cierto punto en la magnetosfera, "se congela en él, "y fluye a lo largo de las líneas del campo magnético hacia los polos magnéticos de la estrella de neutrones. Cayendo hacia los polos, el gas se calienta a varios cientos de millones de grados, que provoca la emisión de rayos X. Si el eje magnético de una estrella de neutrones está sesgado con respecto a su eje de rotación, los rayos X que emite giran de una manera que se asemeja a la forma en que funcionan las balizas. Para un observador "en tierra", la fuente parece estar enviando señales a intervalos regulares que van desde fracciones de segundo hasta varios minutos.
Se muestra un sistema binario en el que la estrella normal ha llenado su lóbulo de Roche. Crédito:Instituto de Física y Tecnología de Moscú
Una estrella de neutrones es uno de los posibles remanentes que dejó una supernova. Puede formarse al final de la evolución estelar, si la estrella original fuera lo suficientemente masiva como para permitir que la gravitación comprima la materia estelar lo suficiente como para hacer que los electrones se combinen con los protones produciendo neutrones. El campo magnético de una estrella de neutrones puede ser más de 10 órdenes de magnitud más fuerte que cualquier campo magnético que se pueda lograr en la Tierra.
En un sistema binario, se observa un púlsar de rayos X cuando la estrella de neutrones está acumulando materia de su compañera estelar normal, a menudo un gigante o supergigante caracterizado por un fuerte viento estelar (expulsión de materia al espacio). Alternativamente, puede ser una estrella más pequeña como nuestro propio sol que ha llenado su lóbulo de Roche, la región más allá de la cual es incapaz de aferrarse a la materia atraída por la gravedad de la estrella de neutrones compañera.
Los astrónomos usan el término "luminosidad" para referirse a la cantidad total de energía emitida por un cuerpo celeste por unidad de tiempo. La línea roja en el diagrama representa el umbral de luminosidad para el púlsar 4U 0115 + 63. Las observaciones de la otra fuente (V 0332 + 53) arrojaron resultados similares. Las líneas azules marcan los momentos en el tiempo cuando la distancia entre el púlsar y el compañero era mínima. Esta proximidad de la estrella compañera podría hacer que la estrella de neutrones se acelere y reanude la emisión (ver diagrama), siempre que todavía haya cantidades suficientes de materia disponibles para la acumulación. Crédito:Instituto de Física y Tecnología de Moscú
Los púlsares 4U 0115 + 63 y V 0332 + 53 son fuentes de rayos X irregulares (transitorios), debido al hecho de que sus compañeros estelares pertenecen a la clase de estrellas Be bastante inusual. La rotación axial de una estrella Be es tan rápida que ocasionalmente comienza a "abultarse" en el ecuador, y se forma un disco de gas a su alrededor, llenando el lóbulo de Roche. La estrella de neutrones comienza a acumular rápidamente el gas de su compañero "donante", causando un fuerte aumento en la emisión de rayos X llamado explosión de rayos X. En algún momento, después de que la materia en la protuberancia ecuatorial comience a agotarse, el disco de acreción se agota, y el gas ya no puede caer sobre la estrella de neutrones debido a la influencia del campo magnético y la fuerza centrífuga. Esto da lugar a un fenómeno conocido como "efecto de hélice":el púlsar entra en un estado en el que no se produce acreción. y la fuente de rayos X ya no se observa.
Los astrónomos usan el término "luminosidad" para referirse a la cantidad total de energía emitida por un cuerpo celeste por unidad de tiempo. La línea roja en el diagrama representa el umbral de luminosidad para el púlsar 4U 0115 + 63. Las observaciones de la otra fuente (V 0332 + 53) arrojaron resultados similares. Las líneas azules marcan los momentos en el tiempo en que la distancia entre el púlsar y su compañero era mínima. This proximity of the companion star might cause the neutron star to go into overdrive and resume emission (see diagram), provided that sufficient amounts of matter are still available for accretion.
The Russian scientists used the X-ray telescope (XRT) on NASA's Swift space observatory to measure the threshold luminosity that marks the transition of a pulsar to the propeller regime. This parameter depends on the magnetic field and the rotational period of the pulsar. The rotational periods of the sources in this study are known based on the intervals between the pulses that we can register, 3.6 s in the case of 4U 0115+63 and 4.3 s for V 0332+53. Knowing both the threshold luminosity and the rotational period, one can calculate the strength of the magnetic field. The research findings are in agreement with the values obtained using other methods. Sin embargo, the luminosity was only reduced by a factor of 200, as compared to the expected 400 times reduction. The researchers hypothesized that there could be two possible explanations for this discrepancy. Primero, the neutron star surface could become an additional source of X-rays, as it cools down following an outburst. Segundo, the propeller effect could leave some room for matter transfer between the two stars, as opposed to sealing the neutron star off completely. En otras palabras, an unaccounted mechanism could be enabling accretion to continue to a certain extent.
The transition of a pulsar into the propeller mode is challenging to observe, as the low luminosity state cannot be detected easily. For 4U 0115+63 and V 0332+53, this was attempted following the previous outbursts of these sources. Sin embargo, the instruments available at the time were not sensitive enough to see the pulsars in the "off-mode." This study is the first to demonstrate reliably that these two sources do, indeed, "black out." Es más, the researchers showed that knowledge of the luminosity that marks the transition of pulsars into the propeller regime can be used to learn more about the structure and intensity of the magnetic fields around neutron stars.
Prof. Dr. Alexander Lutovinov of the Russian Academy of Sciences, Head of Laboratory at the Space Research Institute (IKI RAS) and a professor at MIPT, comments, "Knowledge of the structure of the magnetic fields of neutron stars is of paramount importance for our understanding of their formation and evolution. In this research, we determined the dipole magnetic field component, which is linked to the propeller effect, for two neutron stars. We demonstrate that this independently calculated value can be compared to the available results of magnetic field measurements based on the detection of cyclotron lines in the spectra of sources. Al hacer esto, it is possible to estimate the contribution of the other, higher-order components in the field structure."
