La misión NICER encuentra un aumento de rayos X en las emisiones de radio del Púlsar de la Nebulosa del Cangrejo

La Nebulosa del Cangrejo, es una nube de escombros en expansión, de seis años luz de ancho, provocada por la explosión de una supernova. En su interior, alberga una estrella de neutrones que gira 30 veces por segundo y se encuentra entre los púlsares más brillantes del cielo, en longitudes de onda de radio y rayos X. Este compuesto de imágenes del telescopio espacial Hubble, muestra diferentes gases expulsados en la explosión: el azul indica oxígeno neutro, el verde azufre individualmente ionizado y el rojo oxígeno doblemente ionizado.
Crédito: NASA, ESA, J. Hester y A. Loll (Universidad Estatal de Arizona).

Una colaboración científica que utiliza datos del telescopio NICER de la NASA en la Estación Espacial Internacional, ha descubierto ráfagas de rayos X acompañando a las emisiones de radio del púlsar ubicado en la Nebulosa del Cangrejo. El descubrimiento indica que estas explosiones (llamadas pulsos de radio gigantes), liberan mucha más energía de lo que se sospechaba hasta entonces.

Las observaciones de NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) de la NASA muestran chorros de rayos X vinculados a los pulsos de radio del púlsar del Cangrejo.
Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA.

Un púlsar es un tipo de estrella de neutrones que gira rápidamente, con un núcleo comprimido del tamaño de una ciudad, generada como consecuencia de la explosión de una estrella en supernova. Una estrella de neutrones joven y aislada puede girar docenas de veces por segundo, y su campo magnético asociado al giro alimenta haces de ondas de radio, luz visible, rayos X y rayos gamma. Si estos rayos “apuntan” hacia la Tierra, los astrónomos pueden observan esos pulsos de emisión y clasifican al objeto como un púlsar.

“De más de 2.800 púlsares catalogados, el pulsar del Cangrejo es uno de los pocos que emiten pulsos de radio gigantes, que ocurren esporádicamente y pueden ser cientos o miles de veces más brillantes que los pulsos comunes”, dijo el científico jefe Teruaki Enoto del RIKEN Cluster for Pioneering Research en Wako, prefectura de Saitama, Japón. “Después de décadas de observaciones, solo se ha demostrado que el púlsar en la Nebulosa del Cangrejo aumenta sus pulsos de radio gigantes, en emisiones de otras partes del espectro”.

El nuevo estudio (que aparece en la edición del 9 de abril de Science ya está disponible online) analizó la cantidad de datos de radio y rayos X de un púlsar más grande de la historia. Multiplica miles de veces el rango de energía observado asociado con este fenómeno.

Situada a unos 6.500 años luz de distancia en la constelación de Tauro, la Nebulosa del Cangrejo y su púlsar, se formaron como consecuencia de una supernova, cuya luz llegó a la Tierra en julio de 1054. La estrella de neutrones gira 30 veces por segundo, y en longitudes de onda de radio y rayos X se encuentra entre los púlsares más brillantes del cielo.

Entre agosto de 2017 y agosto de 2019, Enoto y sus colegas usaron NICER para observar repetidamente el pulsar del Cangrejo en rayos X, con energías de hasta 10.000 electronvoltios (miles de veces la de la luz visible). Mientras NICER observaba, el equipo también estudió el objeto utilizando uno dos radiotelescopios terrestres de Japón: la antena de 34 metros en el Kashima Space Technology Center y la antena de 64 metros del Usuda Deep Space Center, de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón, ambos operando a una frecuencia de 2 gigahercios.

Entre 2017 y 2019 NICER de la NASA y los radiotelescopios de Japón, estudiaron el púlsar del cangrejo simultáneamente. En esta visualización, que representa solo 13 minutos de observaciones de NICER, se trazan millones de rayos X en relación con la fase de rotación del púlsar, centrándose en la emisión de radio más fuerte. Para mayor claridad, se muestran dos rotaciones completas. A medida que los haces de púlsar recorren nuestra línea de visión, producen dos picos por cada rotación, y el más brillante se asocia con un mayor número de pulsos de radio gigantes. Por primera vez, los datos de NICER muestran un ligero aumento en la emisión de rayos X asociada con estos eventos.
Créditos: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Enoto et al. 2021.

El conjunto de datos combinado les dio a los investigadores casi un día y medio de recepción simultánea de rayos X y radio. En total, capturaron la actividad de 3,7 millones de rotaciones del púlsar y obtuvieron aproximadamente 26.000 pulsos de radio gigantes.

Los pulsos gigantes brotan rápidamente, aumentan en millonésimas de segundo y ocurren de manera impredecible. Sin embargo, cuando ocurren,tienen un patrón perfectamente regular.

NICER registra el tiempo de llegada de cada rayo X que detecta en 100 nanosegundos, esta precisión del tiempo del telescopio, no es su única ventaja para este estudio.

El equipo de Enoto combinó todos los datos de rayos X que coincidieron con pulsos de radio gigantes, revelando un aumento de rayos X de aproximadamente un 4%, que ocurrieron en sincronía con ellos. Es notablemente similar al aumento del 3% en la luz visible también asociado con el fenómeno, que se descubrió en 2003. Comparando la diferencia de brillo entre los pulsos regulares y gigantes del Cangrejo, los cambios son notablemente pequeños y suponen un desafío para que los modelos teóricos nos los expliquen.

Las mejoras sugieren que los pulsos gigantes son una manifestación de procesos subyacentes que producen emisiones que abarcan todo el espectro electromagnético, desde radio hasta rayos X. Debido a que los rayos X concentran millones de veces la fuerza de las ondas de radio, incluso un pequeño aumento supone una gran contribución de energía. Los investigadores concluyen que la energía total emitida asociada con un pulso gigante es, de decenas a cientos de veces mayor, que la que se había estimado previamente básandose en datos ópticos y de radio.

“Todavía no entendemos cómo o dónde los púlsares producen su compleja y amplia emisión, y es gratificante haber contribuido con otra pieza al rompecabezas de las múltiples longitudes de onda de estos fascinantes objetos”, dijo Enoto.

NICER es una Misión de Oportunidad de Astrofísica dentro del programa Explorers de la NASA, que aporta oportunidades para investigaciones científicas a nivel mundial desde el espacio, utilizando enfoques de gestión innovadores, optimizados y eficientes dentro de las áreas de ciencia heliofísica y astrofísica. La Dirección de Misión de Tecnología Espacial de la NASA apoya el componente SEXTANT de la misión, demostrando la navegación de naves espaciales basadas en púlsares.