Un Jekyll y Hyde cósmico.


En esta nueva imagen de Terzan 5 (derecha), los rayos X de baja, media y alta energía detectados por Chandra son de color rojo, verde y azul, respectivamente. A la izquierda, una imagen del telescopio espacial Hubble muestra el mismo campo de visión en luz óptica. Terzan 5 CX1 está etiquetado como CX1 en la imagen de Chandra.

Un sistema de doble estrella ha estado cambiando entre dos alter egos, de acuerdo con los datos del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y el Very Large Array (VLA) Karl F. Jansky de la National Science Foundation. Utilizando casi una década y media de observaciones de Chandra, los investigadores notaron que un dúo estelar se comportaba como un tipo de objeto antes de cambiar su identidad para luego volver a su estado original después de unos años. Este es un raro ejemplo de un sistema estelar que cambia su comportamiento de esta manera.

Los astrónomos encontraron este sistema doble o binario volátil en una densa colección de estrellas, el cúmulo globular Terzan 5, que se encuentra a unos 20,000 años luz de la Tierra en nuestra galaxia Vía Láctea. Este dúo estelar, conocido como Terzan 5 CX1, tiene una estrella de neutrones (el remanente extremadamente denso que dejó una explosión de supernova) en órbita cercana alrededor de una estrella similar al Sol, pero con menos masa.

En sistemas binarios como Terzan 5 CX1, la estrella de neutrones más pesada extrae material del compañero de menor masa hacia un disco circundante. Los astrónomos pueden detectar estos llamados discos de acreción mediante su brillante luz de rayos X, y se refieren a estos objetos como “binarios de rayos X de baja masa”.

El material que gira en el disco cae sobre la superficie de la estrella de neutrones, aumentando su velocidad de rotación. La estrella de neutrones puede girar más y más rápido hasta que la esfera de aproximadamente 16 kilómetros de ancho, repleta de más masa que el Sol, gire cientos de veces por segundo. Finalmente, la transferencia de materia se ralentiza y el material restante es arrastrado por el campo magnético giratorio de la estrella de neutrones, que se convierte en un púlsar de milisegundos. Los astrónomos detectan pulsos de ondas de radio de estos púlsares de milisegundos a medida que el haz de emisión de radio de la estrella de neutrones se extiende sobre la Tierra durante cada rotación.

Si bien los científicos esperan que la evolución completa de un binario de rayos X de baja masa en un púlsar de milisegundos ocurra durante varios miles de millones de años, hay un período de tiempo en el que el sistema puede cambiar rápidamente entre estos dos estados. Las observaciones de Chandra de Terzan 5 CX1 muestran que estaba actuando como un binario de rayos X de baja masa en 2003, porque era más brillante en rayos X que cualquiera de las docenas de otras fuentes en el cúmulo globular. Esta fue una señal de que la estrella de neutrones probablemente estaba acumulando materia.

En los datos de Chandra tomados de 2009 a 2014, Terzan 5 CX1 se había vuelto diez veces más débil en rayos X. Los astrónomos también lo detectaron como una fuente de radio con el VLA en 2012 y 2014. La cantidad de emisión de radio y rayos X y los espectros correspondientes (la cantidad de emisión en diferentes longitudes de onda) están de acuerdo con las expectativas para un púlsar de milisegundos. Aunque los datos de radio utilizados no permitieron la búsqueda de pulsos de milisegundos, estos resultados implican que Terzan 5 CX1 experimentó una transformación para comportarse como un púlsar de milisegundos y estaba expulsando material hacia afuera. Cuando Chandra había observado Terzan 5 CX1 nuevamente en 2016, se había vuelto más brillante en rayos X y había vuelto a actuar como un binario de rayos X de baja masa nuevamente.

Para confirmar este patrón de comportamiento de “Jekyll y Hyde”, los astrónomos necesitan detectar pulsos de radio mientras Terzan 5 CX1 es débil en rayos X. Se planean más observaciones de radio y rayos X para comprobar este comportamiento, junto con búsquedas sensibles de pulsos en los datos existentes. Solo se conocen tres ejemplos confirmados de estos sistemas de cambio de identidad, y el primero se descubrió en 2013 utilizando Chandra y varios otros radiotelescopios y rayos X.

El estudio del binario “Jekyll and Hyde” fue dirigido por Arash Bahramian del Centro Internacional para la Investigación de Radio Astronomía (ICRAR), Australia y fue publicado en la edición del 1 de septiembre de 2018 de The Astrophysical Journal.

Otros dos estudios recientes han utilizado las observaciones de Chandra de Terzan 5 para estudiar cómo se recuperan las estrellas de neutrones en dos binarios de rayos X diferentes de baja masa, después de que una estrella compañera arrojó grandes cantidades de material a su superficie. Dichos estudios son importantes para comprender la estructura de la capa externa de una estrella de neutrones, conocida como su corteza.

En uno de estos estudios, del Swift J174805.3–244637 binario de rayos X de baja masa, T5 X-3 para abreviar, el material arrojado a la estrella de neutrones durante un estallido de rayos X detectado por Chandra en 2012 calentó la corteza de la estrella, luego se enfrió y tardó alrededor de cien días en volver a la temperatura vista antes del estallido. La velocidad de enfriamiento concuerda con un modelo de ordenador para dicho proceso.

En un estudio separado de Chandra de un binario de rayos X de baja masa diferente en Terzan 5, IGR J17480–2446 (T5 X-2 para abreviar), la estrella de neutrones todavía se estaba enfriando cuando se le tomó la temperatura cinco años y medio después de haber tenido un estallido. Estos resultados muestran que la capacidad de la corteza de esta estrella de neutrones para transferir o conducir calor puede ser inferior a lo que los astrónomos han encontrado en otras estrellas de neutrones en enfriamiento en binarios de rayos X de baja masa. Esta diferencia en la capacidad de conducir calor puede estar relacionada con que T5 X-2 tenga un campo magnético más alto en comparación con otras estrellas de neutrones, o que sea mucho más joven que T5 X-3.

El trabajo sobre la estrella de neutrones que se enfría rápidamente, dirigido por Nathalie Degenaar de la Universidad de Amsterdam en los Países Bajos, se publicó en la edición de junio de 2015 de los Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society. El estudio de la estrella de neutrones que se enfría lentamente, dirigido por Laura Ootes, entonces de la Universidad de Amsterdam, se publicó en la edición de julio de 2019 de los Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.

El Marshall Space Flight Center de la NASA administra el programa Chandra. El Centro de rayos X Chandra del Observatorio Astrofísico Smithsoniano controla las operaciones científicas y de vuelo desde Cambridge y Burlington, Massachusetts.