• Título: Radio emission from the X-ray pulsar Her X-1: a jet launched by a strong magnetic field neutron star?
• Autores: J. van den Eijnden, N. Degenaar, T. D. Russell, J. C. A. Miller-Jones, R. Wijnands, J. M. Miller, A. L. King, M. P. Rupen
• Institución del primer autor: Anton Pannekoek Institute for Astronomy, University of Amsterdam
• Estado: Aceptado para publicar en The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

Hercules X-1

Hércules, el héroe divino hijo de Jupiter y Alcmena, le da el nombre a una de la constelaciones más grandes y fácilmente reconocible en el cielo del norte. Esta constelación se reconoce fácilmente por el patrón de estrellas en forma de cuadrilátero, que representan el torso de Hércules mientras este se exhibe victorioso sobre la cabeza de Draco. Un nombre perfecto para una constelación que tiene una de las más estudiadas e intrigantes fuentes de rayos X en nuestra galaxia. En la constelación de Hércules se encuentra la binaria de rayos X llamada, Hercules X-1 (Her X-1). Her X-1 es una de las fuentes de rayos X descubiertas por la primera misión satelital de rayos X, Uhuru. Fue descubierta en 1971, pero a pesar de ser una de las fuentes de rayos X más conocidas y estudiadas, Hercules X-1 aún continúa intrigando a los astrónomos.

Her X-1 pertenece a una clase especial de binarias de rayos X llamadas binarias de rayos X de masa intermedia (IMXRB por sus siglas en inglés). En todas las binarias de rayos X, una estrella de neutrones (o un agujero negro) acreta masa de una estrella “normal” de la secuencia principal. Dependiendo de la masa de la estrella compañera, las binarias de rayos X se clasifican en tres categorías: Binarias de baja masa (si la estrella compañera es menos masiva que nuestro Sol), de masa intermedia y de alta masa (si la estrella compañera tiene al menos 10 veces la masa de nuestro Sol). En el caso de Her X-1 una estrella de neutrones con 1.4 veces la masa solar acreta una estrella de la secuencia principal de 2.2 masas solares. Si bien Her X-1 es clasificada como una binaria de masa intermedia, ésta combina características de las binarias de baja masa (LMXB por su siglas en inglés) y binarias de alta masa (HMXB por sus siglas en inglés). Por ejemplo, al igual que la mayoría de las LMXB, se cree que X-1 acreta material a través del desbordamiento del lóbulo de Roche (ver figura 1). En las HMXB, la acreción tiende a suceder a través del viento de la compañera estelar masiva. Pero similar a las HMXB, Her X-1 tiene un campo magnético fuerte (10¹² G), y un giro (spin en inglés) muy bajo (la estrella de neutrones está girando con un período de 1.24 s), en las LMXB las estrellas de neutrones tienden a tener un débil campo magnetico (< 10⁹)

Impresión artística del sistema binario HZ Her / Her X-1. Derechos de autor: D. Klochkov.

Los rayos X son solo parte de la historia

Estas binarias de rayos X no solo son luminosas en rayos X, sino también emiten en otras longitudes de onda incluyendo ondas de radio (esta radiación de radio es indicativa de un haz, o jet en inglés, u otro tipo de eyecciones). En el modelo actual a medida que la tasa de transferencia de masa cambia en el sistema, la binaria de rayos X pasa de un estado “duro” a un estado “suave”. En el estado duro, el disco de acreción se trunca y los rayos X originados en el disco de acreción truncado se energizan a través de la interacción (via Dispersión de Compton inversa) con un gas circundante de electrones calientes llamado corona. En este estado, la emisión de radio a menudo es detectada y asociada con un haz proveniente del objeto compacto. A medida que aumenta la luminosidad de los rayos X, el disco interno de acreción se mueve hacia adentro más cerca del objeto compacto; la corona se enfría y ahora la radiación es dominada por los rayos X emitidos desde la región interna más caliente del disco de acreción. A medida que se realiza la transición a este estado suave, el haz constante se apaga y vuelve a aparecer en la transición inversa al estado duro.

Dado que las LMXB con agujero negro son más brillantes en radio a una dada luminosidad de rayos X, este proceso se entiende mejor para los sistemas con agujeros negros, pero este ha sido observado en algunas LMXB con estrellas de neutrones. De hecho, la presencia de emisiones de radio y el haz inferido representan otra diferencia observacional entre las HMXBs y las LMXBs. En las LMXB con estrellas de neutrones, la emisión de rayos X y la luminosidad de las ondas de radio parecen estar correlacionadas de manera similar a las LMXB con agujeros negros. Esta diferencia sistemática entre la presencia de un haz en las LMXB y las HMXB aún no es entendida y probablemente el período de giro, y la magnitud del campo magnético jueguen un papel importante en el proceso. Solo más observaciones en múltiples longitudes de ondas, como en rayos X y radio, ayudarán a comprender mejor qué propiedades de la estrella de neutrones en las LMXBs y las HMXB podrían explicar esta aparente diferencia sistemática. Her X-1, compartiendo propiedades de ambas binarias, LMXB y HMXB, es el blanco perfecto para tratar de entender mejor esta mecánica de formación de un haz y acoplamiento de disco-haz. Esto es exactamente lo que intentaron hacer los autores del artículo de hoy, quienes presentan el resultado de las observaciónes en múltiples longitudes de Her X-1.

Curva de luz de rayos X de Her X-1 alrededor de la observación de radio con el Karl G. Jansky Very Large Array (VLA). La observación de VLA se muestra por la línea discontinua. Nótese la variabilidad en la curva de rayos X. Esta variabilidad es geométrica y debida a un disco de acreción deformado que precesa. Esta animación de la Agencia Espacial Eruropea muestra tal proceso: http://sci.esa.int/integral/42947- hz-her-her-x-1-binary-system-and-the-35d-light-curve

Por primera vez, los autores presentan el descubrimiento de emisión de radio en Her X-1. Si bien un haz no es el único mecanismo físico que pudiera explicar esta emisión de ondas de radio, una emisión de sincrotrón debido a un haz estable es consistente con las propiedades de radio observadas. En el artículo, los autores van metódicamente analizando otros mecanismos físicos (por ejemplo, viento estelar, ondas de choque) que podrían explicar la emisión de radio, pero encontraron que estos mecanismos son poco probables.

Como se indicó anteriormente, Her X-1 también comparte características con las HMXB de estrellas de neutrones: un campo magnético fuerte ( > 10¹² G) y un giro lento, pero las detecciones de ondas de radio en las HMXB son relativamente raras. La presencia de un haz en Her X-1 implica que un campo magnético fuerte y un giro lento no impiden completamente la formación de un haz. Si nuevas observaciones de radio confirman la naturaleza del haz en Her X-1, la teoría actual de cómo estos se forman en presencia de un fuerte campo magnético necesita ser revisada. Por ejemplo, el escenario anterior de extinción del haz en los agujeros negros es difícil de concebir en presencia de un fuerte campo magnético estelar, ya que el fuerte campo magnético evita que el disco de acreción se mueva hacia adentro. Nuevos escenarios de formación de haz deben ser explorados y la detección de emisión de ondas de radio en Her X-1 abre la posibilidad de detectar un haz en otras fuentes donde estos no han sido detectados, o no son esperados. Así que estén atentos a medida que nuevas observaciones en múltiples longitudes de onda nos permitan descubrir las intimidades de esta intrigante fuente de rayos X; arrojando luz sobre los oscuros mecanismos físicos subyacentes a la formación de un haz y el acoplamiento de disco/haz.