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miércoles, diciembre 7, 2022
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Nuevas observaciones confirman que un magnetar tiene una superficie sólida y no tiene atmósfera

¿Puede una estrella tener una superficie sólida? Puede sonar contradictorio. Pero la intuición humana es una respuesta a nuestra evolución en la Tierra, donde arriba es arriba, abajo es abajo, y hay tres estados de la materia. La intuición falla cuando se enfrenta al cosmos.

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Los magnetares son estrellas muertas con intensos campos magnéticos, los más intensos que conocemos. Son un tipo de estrella de neutrones, los restos estelares de una estrella masiva que explotó como una supernova. Los magnetares no solo están altamente magnetizados en comparación con las estrellas de neutrones, sino que también giran más lentamente. Mientras que una magnetar puede rotar una o dos veces cada diez segundos, una estrella de neutrones puede rotar tan rápido como diez veces cada segundo.

Impresión artística de una magnetar, una estrella de neutrones altamente magnética que gira lentamente. Crédito: ESO/L. Calçada

Los magnetares son uno de esos objetos cósmicos que los científicos dedujeron que deben haber existido mucho antes de encontrar uno. Fueron invocados para explicar la existencia de fuentes transitorias de rayos gamma llamadas repetidores gamma suaves (SGR). La hipótesis es que a medida que el intenso campo magnético de una magnetar decae lentamente, emitirá rayos gamma y rayos X. El campo tarda unos 10.000 años en descomponerse. Ahora sabemos de al menos 31 magnetares, y los investigadores calculan que hay alrededor de 30 millones de magnetares inactivos en la Vía Láctea.

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Los magnetares emiten potentes rayos X y experimentan ráfagas erráticas de actividad. Los estallidos y llamaradas de un magnetar pueden emitir en un solo segundo lo que nuestro Sol necesita emitir durante todo un año. Los campos magnéticos extremos son responsables de este comportamiento, piensan los científicos, y pueden ser hasta mil veces más poderosos que los campos magnéticos alrededor de las estrellas de neutrones.

Un nuevo estudio dice que uno de estos magnetares tiene una superficie sólida y no tiene atmósfera. Se llama 4U 0142+61 y está a unos 13.000 años luz de la Tierra en la constelación de Casiopea. El estudio es «Rayos X polarizados de un magnetar», y se publica en la revista Science. El autor principal es el Dr. Roberto Taverna, de la Universidad de Padova (Padua), Italia.

Coautora principal, la profesora Silvia Zane, UCL, miembro del equipo científico de IXPE.


Una nave espacial lanzada en diciembre de 2021 hizo posible este estudio. El Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) es una misión conjunta entre la Agencia Espacial Italiana y la NASA. Como su nombre deja claro, la nave espacial observa la polarización de los rayos X. Objetos exóticos como agujeros negros, púlsares, estrellas de neutrones y magnetares tienen entornos extremos que polarizan los rayos X. IXPE puede observar estos rayos X y brindar información sobre los objetos y sus entornos. Entender los exóticos y poderosos campos magnéticos alrededor de los magnetares es uno de los objetivos explícitos de IXPE.

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Como muestra este estudio, está pagando dividendos.

Este estudio marca la primera vez que los científicos observan rayos X polarizados de un magnetar. IXPE observó el magnetar durante un total de 840 kilosegundos (alrededor de 233 horas) en enero y febrero de 2022. ¿Qué mostraron esas observaciones?

Primero, un poco sobre la luz polarizada.

La mayor parte de la luz que encontramos no está polarizada. Eso significa que a medida que la luz viaja, “vibra” en múltiples planos y viaja hacia afuera en múltiples direcciones. La luz del sol, la luz eléctrica y la llama de una vela emiten luz no polarizada.

Un cohete SpaceX Falcon 9 se lanza con la nave espacial Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) de la NASA a bordo del Complejo de lanzamiento 39A, el jueves 9 de diciembre de 2021, en el Centro Espacial Kennedy de la NASA en Florida. La nave espacial IXPE es el primer satélite dedicado a medir la polarización de los rayos X de una variedad de fuentes cósmicas, como agujeros negros y estrellas de neutrones. El lanzamiento se produjo a la 1 a. m. EST. Créditos: NASA/Joel Kowsky
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La luz polarizada es luz que vibra en un solo plano. Probablemente hayas usado gafas de sol polarizadas en algún momento u otro. Reducen el deslumbramiento al filtrar la luz que vibra en otros planos y solo permiten que la luz alineada llegue a sus ojos.

Dado que la luz, incluidos los rayos X, es energía electromagnética, los campos magnéticos extremadamente potentes alrededor de los magnetares pueden polarizar la luz. Al medir el grado de polaridad, los científicos pueden hacer deducciones sobre los campos magnéticos y los objetos que los generan. Eso está en el corazón de la misión de IXPE y en el corazón de este estudio. IXPE tiene tres sistemas idénticos de polarimetría de rayos X de imágenes que funcionan de forma independiente para la redundancia. IXPE crea mapas de polarización que revelan la estructura de los campos magnéticos alrededor de objetos como magnetares.

Interpretación de un artista de la nave espacial IXPE. Crédito de la imagen: HEASARC (Centro de Archivo de Ciencias de Astrofísica de Alta Energía).

Como dice el resumen de una oración del artículo, “La observación de IXPE de 4U 0142+61 da la primera
medición de la emisión polarizada de un magnetar en rayos X”.

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Los investigadores encontraron una proporción mucho menor de luz polarizada de lo que debería haber si los rayos X hubieran atravesado una atmósfera. Una atmósfera alrededor de la magnetar actuaría como un filtro y permitiría que solo pasara un estado de polarización de la luz.

El equipo también descubrió que la oscilación, o ángulo de polarización, cambiaba exactamente 90 grados para energías más altas en comparación con energías más bajas. Los modelos teóricos de los magnetares establecen que una superficie sólida rodeada de campos magnéticos puede producir estas observaciones.

«La característica más emocionante que pudimos observar es el cambio en la dirección de polarización con la energía, con el ángulo de polarización oscilando exactamente 90 grados», dijo el autor principal Taverna. «Esto está de acuerdo con lo que predicen los modelos teóricos y confirma que los magnetares están dotados de campos magnéticos ultra fuertes».

Un diagrama de la nave espacial IXPE. Crédito de la imagen: por la NASA: https://wwwastro.msfc.nasa.gov/ixpe/for_scientists/presentations/20170601_huntsville.pdf, dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=62263364
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«Esto fue completamente inesperado», dijo la coautora principal, la profesora Silvia Zane (Laboratorio de Ciencias Espaciales UCL Mullard) y miembro del equipo científico de IXPE. “Estaba convencido de que habría una atmósfera. El gas de la estrella ha alcanzado un punto de inflexión y se ha vuelto sólido de una manera similar a como el agua podría convertirse en hielo. Este es el resultado del campo magnético increíblemente fuerte de la estrella”.

“Pero, al igual que con el agua, la temperatura también es un factor: un gas más caliente requerirá un campo magnético más fuerte para volverse sólido”, agregó Zane. «El próximo paso es observar estrellas de neutrones más calientes con un campo magnético similar, para investigar cómo la interacción entre la temperatura y el campo magnético afecta las propiedades de la superficie de la estrella».

La teoría cuántica juega un papel en estos hallazgos. Predice que cuando la luz se propaga en un entorno altamente magnetizado, se polarizará en dos direcciones: paralela a las líneas del campo magnético y perpendicular a ellas. Al observar tanto la polaridad de la luz como la cantidad de luz, los científicos pueden comprender la estructura del propio campo magnético, que se imprime en la luz y en el estado físico de la materia en la región del magnetar. Según el estudio, esta es la única forma de acceder a esa información.

Los magnetares pueden tener campos magnéticos complejos y IXPE es una herramienta poderosa para observarlos. IXPE crea mapas de polarización de objetos como magnetares, que es la única forma de revelar su estructura. Esta imagen es una impresión artística de una magnetar con un campo magnético muy complicado en su interior y un pequeño campo dipolar simple en el exterior. Créditos: ESA – Autor: Christophe Carreau
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El profesor Roberto Turolla de la Universidad de Padua es otro de los coautores del artículo. En un comunicado de prensa, Turolla dijo: «La polarización a bajas energías nos dice que el campo magnético probablemente sea tan fuerte que convierta la atmósfera alrededor de la estrella en sólida o líquida, un fenómeno conocido como condensación magnética».

La teoría también predice que esta superficie sólida está hecha de iones que se mantienen unidos en una red por campos magnéticos. En lugar de ser esféricos como otros átomos, estos se alargarían debido a la poderosa fuerza magnética.

Los científicos aún debaten si los magnetares y otras estrellas de neutrones pueden tener atmósferas o no. Hay un montón de misterio en torno a estos objetos extremos y su naturaleza confusa. Pero al menos sabemos de un magnetar que no tiene atmósfera, o al menos donde una corteza sólida es una explicación adecuada.

Pero la explicación aún necesita más escrutinio, dicen los autores.

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«También vale la pena señalar que incluir los efectos de la electrodinámica cuántica, como hicimos en nuestro modelo teórico, da resultados compatibles con la observación IXPE», dijo el coautor, el profesor Jeremy Heyl de la Universidad de Columbia Británica. “Sin embargo, también estamos investigando modelos alternativos para explicar los datos del IXPE, para los cuales aún faltan simulaciones numéricas adecuadas”.

Con información de UniverseToday.com

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Skycr_editorhttps://hdavila.com/
Homer Dávila. Máster en geología. Miembro de la International Meteor Organization. Astronomía, radioastronomía, cosmología y ciencia planetaria.
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