Fuentes de Rayos X ultraluminosas

• Título del artículo técnico: ULX spectra revisited: Accreting, highly magnetized neutron stars as the engines of ultraluminous X-ray sources
• Autores: Filippos Koliopanos, Georgios Vasilopoulos, Olivier Godet, Matteo Bachetti, Natalie A. Webb, Didier Barret
• Institución del primer autor: Université de Toulouse; UPS-OMP; IRAP, Toulouse, Francia
• Estado: Aceptado en Astronomy & Astrophysics.

Una Extraordinaria Binaria de Rayos X

En una galaxia muy lejana, a millones de años luz de distancia, se ha detectado una “extraordinaria fuente de rayos X en el suroeste de uno de los brazos espirales” que parece ser “una binaria ultra-violenta de rayos X” “que podría suponer un desafío para los modelos de evolución estelar actuales” (Komossa y Schultz 1998). Esta frase parece sacada de una historia de ciencia ficción, pero es de hecho del descubrimiento de NGC1365-X1, un tipo de sistemas de rayos X al que llamamos fuentes de rayos X ultra luminosas (ULX por su siglas en inglés). Las ULXs son fuentes extragalácticas tremendamente poderosas capaces de emitir el equivalente a un millón de soles (algo así como 10³² vatios). Desde su descubrimiento en la década de 1980 por el Telescopio Einstein, los científicos han tenido dificultades para comprender el origen de las ULXs. En el artículo de hoy, analizando cuidadosamente el espectro de 18 ULXs, los autores ofrecen nuevos argumentos convincentes a favor de un reciente modelo teórico que puede explicar el origen de estas poderosas fuentes de rayos X.

Echemos un vistazo rápido a lo que hace a los ULX tan especiales, y veamos algunos de los posibles escenarios propuestos por los científicos que pueden explicar el origen de estas fuentes extragalácticas tan energéticas en rayos X.

Acreción contra todos los pronósticos

Las fuentes de rayos X ultra luminosas son fuentes brillantes extragalácticas con luminosidades que exceden el llamado “límite de Eddington” para agujeros negros con una masa de 5 a decenas de veces la masa de nuestro Sol. El límite, o luminosidad, de Eddington es la luminosidad máxima que un objeto acretante puede tener antes de que la materia atraída sea contrarrestada por la presión de radiación dirigida hacia afuera. Para una acreción esférica de un agujero negro con la masa de nuestro Sol, este número es de aproximadamente 10³¹ vatios, o el brillo de 26 mil soles. Los ULXs pueden superar este límite teórico de acreción por cientos de veces.

Varios escenarios han sido propuestos para explicar el origen de estas poderosas fuentes de rayos X. Uno de los posibles escenarios es que estos objetos sean agujeros negros de masa intermedia. Estos elusivos sistemas son agujeros negros con masas entre 100 a 10⁵ masas solares, y la detección de un de estos agujeros negros esta por confirmarse (HLX-1 es el mejor candidato hasta la fecha). Los sistemas de agujeros negros de masa intermedia siguen siendo un posible candidato para explicar los ULXs, pero después del descubrimiento de ULXs pulsantes, de repente se requirió un nuevo origen para estos. Para explicar las pulsaciones, los científicos modelaron las ULXs como estrellas de neutrones acretantes, y no agujeros negros. Esto se debe a que los agujeros negros no tienen una superficie sólida y no se espera que produzcan tales pulsaciones como las estrellas de neutrones. El truco para poder tener estrellas de neutrones que acretan por encima del límite de Eddington es acretar de una manera anisotrópica. Esto es exactamente lo que sucede en una estrella de neutrones magnética. Si el campo magnético es lo suficientemente alto, el material se canaliza a lo largo de las líneas del campo magnético. Esto crea una columna de acreción concentrada en un haz y la radiación puede escapar por sus lados, por lo que la presión de radiación no es efectiva para detener la transferencia de masa. Pero este modelo de columna de acreción no funciona bien para tasas de acccreción altas, y no explica bien el bajo número de pulsaciones detectadas en observaciones de varias ULXs. Recientemente se ha propuesto un nuevo modelo que conecta a las estrellas de neutrones altamente magnetizadas como los motores de las ULXs. Los autores del articulo de hoy analizaron datos archivados de 18 ULXs conocidas ULX para buscar indicaciones que favorezcan a este nuevo modelo (figura 1).

Figura 1.- La estructura del flujo de acreción en una ULX debido a una estrella de neutrones altamente magnetizada. (Figura 1 de Mushtukov et al. 2017)

Los resultados

Utilizando datos de dos observatorios de rayos X, XMM-Newton y NuSTAR, los autores pudieron modelar los espectros de los 18 ULXs examinados como un espectro térmico doble. Es decir, el espectro consiste de dos componentes: una componente “más fría” que se origina en el disco truncado de acreción, más una componente “caliente” más enérgica originada en la cortina de material que rodea la estrella de neutrones (figura 1 y figura 2). Al encontrar el mejor espectro térmico doble para adaptarse a los espectros de cada fuente, los autores también estimaron la magnitud del campo magnético de las estrellas de neutrones. La línea de campo magnético causa una interrupción del disco de acreción y al modelar el tamaño y la contribución del disco de acreción a la parte más fría del modelo de cuerpo negro multicolor, los autores pueden estimar la intensidad del campo magnético. Los 18 ULXs en su muestra fueron consistentes con la acreción en una estrella de neutrones altamente magnetizada. Este valor muy alto del campo magnético también implica que estas fuentes son probablemente muy jóvenes, esto concuerda con el hecho de que muchas de estas fuentes se encuentran en ambientes estelares jóvenes y en regiones de formación estelar.

Figura 2.- Espectro de dos ULXs y de dos binarias de rayos X. Los autores pudieron modelar el espectro de rayos X de las ULXs como la superposición de dos componentes. Una componente fría menos energética debido al disco de acrecion, más una componente más energética debido a la cortina de material que rodea la estrella de neutrones. (Figura 3 del artículo original)