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El rayo de la muerte del sistema AR Scorpii

  • Título: “A radio-pulsating white dwarf binary star”
  • Autores: T. R. Marsh, B. T. Gänsicke, S. Hümmerich et al.
  • Institución del primer autor: University of Warwick, Coventry, Reino Unido.
  • Estado: Publicado en Nature el 27 de julio de 2016.

Crédito de la imagen destacada: Instantánea del vídeo “Impresión artística del exótico sistema binario AR Scorpii” – ESO/L. Calçada/University of Warwick.

AR Scorpii es un sistema binario compuesto por una enana blanca y una estrella compañera más pequeña y más fría que el Sol; y hasta ahí todo normal. Lo verdaderamente inusual de este sistema es que emite pulsos en gran parte del espectro electromagnético, desde el ultravioleta hasta las radiofrecuencias. Y la explicación parece ser que un rayo de radiación muy energética golpea a estrella compañera cuadruplicando su luminosidad en cuestión de segundos. Está bien, tal vez no sea un rayo de la muerte, pero nunca antes se había observado este comportamiento en ninguna otra estrella binaria con enana blanca.

 

Vídeo 1: Impresión artística del exótico sistema binario AR Scorpii. En este sistema, partículas como electrones están siendo acelerados hasta casi la velocidad de la luz. El vídeo muestra cómo estas partículas aceleradas liberan una gran cantidad radiación que impacta en la estrella compañera, haciendo que su luminosidad se incremente dramáticamente. Así es como los autores del artículo interpretan los pulsos que se detectan cada 1.97 minutos en todas las longitudes de onda desde el ultravioleta hasta el radio. Crédito: ESO/L. Calçada/University of Warwick.

 

La naturaleza exótica de AR Scorpii

AR Scorpii, o también AR Sco, no es un sistema recién descubierto; sus primeras observaciones datan del 1904‡. Mucho más cerca de nuestros días se clasificó su variabilidad como propia de estrellas delta-scuti, en las que básicamente la luminosidad estelar varía en unas horas a causa de cambios en el radio estelar. Los autores de este trabajo, con la ayuda de astrónomos amateur, han coleccionado observaciones fotométricas y espectroscópicas en distintas longitudes de onda usando un gran número de telescopios terrestres y satelitales. Las nuevas observaciones confirman que AR Sco es un sistema binario con un periodo orbital de 3,56 horas, que emite pulsos cada 1.97 minutos en todas las frecuencias menos en rayos X (ver vídeo 2). También se ha podido acotar el rango de masas para las estrellas y estimar la distancia al sistema, aproximadamente 116 pársecs o unos 380 años-luz. Es la primera vez que se observan pulsaciones en casi todo el espectro electromagnético provenientes de una enana blanca, haciendo de AR Sco un sistema único.

Vídeo 2: Curva de luz del sistema AR Scorpii obtenida con la cámara de alta velocidad ULTRACAM. En la inserción del panel inferior se observan las imágenes del sistema que han servido para calcular su flujo en función del tiempo. En el panel inferior se observan claramente los pulsos cada 1,97 minutos. En el panel superior se distingue además la modulación orbital del sistema, con un periodo de 3,56 horas. Crédito: Thomas Marsh.

 

Pero, ¿seguro que no es una estrella de neutrones?

En el mundillo de las estrellas binarias es de sobra conocido que las estrellas de neutrones pueden producir pulsos. Conocemos a estos objetos como púlsares. De hecho la detección del comportamiento de púlsar ha servido en algunos casos para distinguir estrellas de neutrones de agujeros negros estelares en sistemas binarios. Aunque algunos astrónomos habían predicho un comportamiento similar para enanas blancas, es la primera vez que observamos una enana blanca pulsante. Por tanto, conviene asegurarse de que realmente es una enana blanca y no tenemos en realidad una estrella de neutrones. Ninguna de las dos sería visible en los datos espectroscópicos con los que se cuentan, así que hay que buscar otro tipo de evidencias para confirmar su naturaleza.

La primera indicación es la distancia. La estrella de neutrones más cercana está al menos diez veces más lejos de nosotros que AR Sco, mientras que cientos de enanas blancas pueblan el espacio a distancias parecidas. Segundo, la luminosidad en rayos X de AR Sco es solo un 4% de la luminosidad en el óptico, mientras que los sistemas con estrellas de neutrones suelen brillar 100 veces más en rayos X que en luz visible. Tercero, el periodo de rotación de 1,95 minutos es demasiado lento para la estrella de neutrones típica. Cuarto y último, los límites que acotan las masas de las estrellas de AR Sco son más típicas de enanas blancas que de estrellas de neutrones. De manera que podemos concluir que AR Sco es el hogar de una enana blanca con una gran certeza.

Los latidos de AR Scorpii

Las curvas de luz muestran pulsaciones en todas las longitudes de onda desde el ultravioleta hasta el radio, un comportamiento muy reseñable. Las pulsaciones que se observan en el sistema binario tienen dos componentes con una frecuencia similar. Las dos componentes se alcanzan a distinguir en los paneles de la derecha de la figura 1, pero aparecen aún más claramente en el espectro de frecuencias. La frecuencia más alta se corresponde con el periodo de rotación de la enana blanca (Pspin = 1,95 min). La frecuencia más corta está asociada al reprocesamiento por parte de la estrella compañera, y es igual a la frecuencia de rotación de la enana blanca menos la frecuencia orbital del sistema (νpulso = νspin – νorbital). Los autores llaman a esta frecuencia “reprocesada o de pulso”, y corresponde a un periodo Ppulso = 1,97 min. Esta frecuencia de pulso es la componente dominante, de modo que el papel de la estrella compañera debe ser muy importante a la hora de producir las pulsaciones.

Figura 2 del paper: "A radio-pulsating white dwarf binary star"

Figura 1 (Figura 2 del artículo original): Curvas de luz del sistema AR Sco en el ultravioleta (panel a), óptico (panel b), infrarrojo (panel c) y radio (panel d). En todos ellos se observa una serie de pequeños picos que corresponden a las pulsaciones del sistema. La modulación orbital se aprecia especialmente en la banda óptica, esto es, el sistema presenta más o menos luminosidad según sus componentes orbitan una alrededor de la otra. Los paneles e-h son un detalle de la región delimitada por las líneas discontinuas en los paneles a-d. Muestran los pulsos de AR Sco y en algunos de los picos se pueden distinguir las dos componentes de las pulsaciones.

 

Los datos espectroscópicos han aportado información de gran valor para comprender la naturaleza de AR Scorpii. En primer lugar, no hay signos de acrecimiento y las componentes estelares no bastan para explicar la luminosidad del sistema. La energía para emitir pulsaciones proviene de la desaceleración rotacional de la enana blanca; es decir, la enana blanca tarda cada vez más en dar una vuelta sobre sí misma y esto libera energía suficiente para generar las pulsaciones. Esto es muy interesante porque ésta es una enana blanca que rota muy rápidamente en comparación con otras enanas blancas conocidas. Así que en el pasado algún proceso físico ha debido acelerar su rotación, mientras que ahora la vemos decelerarse. Es posible que AR Sco haya sufrido múltiples ciclos de aceleración y desaceleración, y que incluso represente un estadio evolutivo concreto de otros sistemas binarios.

La distribución espectral de energía muestra signos de radiación sincrotrón de electrones acelerados hasta velocidades similares a la de la luz. Como la componente reprocesada de las pulsaciones es la dominante, gran parte de la radiación debe provenir de la estrella compañera. El mecanismo por el que AR Scorpii produce las pulsaciones sigue siendo desconocido, pero los autores esbozan un par de escenarios. Un chorro de partículas podría impactar la estrella compañera como ocurre en la impresión artística del vídeo 1, o tal vez los electrones se aceleran por la interacción de los campos magnéticos de las dos estrellas. Aunque lo cierto, como apuntan los autores, es que cómo se producen estas pulsaciones sigue siendo un misterio.


¿Más sobre AR Scorpii? Puedes leer estas notas de prensa: ESA, EFE.

‡ Muchas notas de prensa han afirmado erróneamente que AR Scorpii se descubrió en los años 1970. Henrietta Leavitt descubrió AR Sco en 1904, así lo reseña este artículo de 1924 de S. I. Bailey. En los años 70 se clasificó AR Sco como una variable delta-scuti, atendiendo a la complejidad de su curva de luz.

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