No tan rápido, AR Scorpii parece no perder energía…

• Título del artículo original: “A reevaluation of the proposed spin-down of the white dwarf pulsar in AR Scorpii”
• Autores: Stephen B. Potter y David A. H. Buckley
• Institución del primer autor: Observatorio Astronómico Sudafricano (SAAO), Ciudad del Cabo, Sudáfrica.
• Estado de la publicación: Publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters el 3 de mayo de 2018.
• Astrobite original: “The spin-down rate of AR Sco is impossible to know… right now”, por Thankful Cromartie
  

Crédito de la imagen destacada: Impresión artística del sistema AR Scorpii (vídeo en Youtube). Crédito: ESO/ L. Calçada / Universidad de Warwick.

Hace dos años los científicos del Observatorio Astronómico Sudafricano (SAAO, por sus siglas en inglés) descubrieron el primer púlsar con enana blanca. La enana blanca en AR Scorpii (AR Sco, para acortar) — que es un sistema binario que también contiene una estrella de la secuencia principal tipo M, que ya analizamos en este astrobito — exhibe pulsaciones regulares y extremadamente fuertes. Esta emisión periódica de la enana blanca abarca casi todo el espectro electromagnético, a pesar del hecho de que las enanas blancas casi nunca se detectan en el infrarrojo lejano o en radio‡. Las pulsaciones pueden causar que la luminosidad óptica del sistema se multiplique por cuatro en menos de un minuto, y además la radiación exhibe polarización lineal de hasta un 40%. Por todos estas razones se apodó a AR Sco como el primer pulsar de enana blanca, haciendo referencia a sus semejanzas con las estrellas de neutrones de rotación rápida y de campos magnéticos poderosos que todos conocemos y amamos.

El artículo que analizamos en el astrobito de hoy revisa una característica muy concreta de AR Sco, que fue reportada en el artículo original de 2016 de Marsh y colaboradores (y que revisamos en este astrobito): la tasa de reducción del periodo de rotación de la enana blanca, Δω/Δt = -(2.86 ± 0.36) 10 ^-17 Hz/s. Cuando un objeto magnetizado gira como lo hace la enana blanca en AR Sco pierde una cantidad de energía proporcional al momento de inercia del objeto y a dicha tasa de reducción del periodo de rotación, Δω/Δt. El momento de inercia se puede calcular en base a propiedades bien conocidas de las enanas blancas. Sin embargo, conocer con precisión el periodo rotacional y cómo éste varía es una tarea mucho más complicada, pero crítica para entender las propiedades del sistema. Por ejemplo, si supiéramos con exactitud cuánta energía se pierde, conoceríamos la fuente de la luminosidad de AR Sco y puede que hasta su evolución como sistema binario. Los autores del artículo que hoy analizamos presentan dos años de nuevas observaciones que contradicen la tasa de reducción del periodo de rotación, Δω/Δt, que se había calculado previamente: de hecho, según las nuevas observaciones el periodo de rotación de la enana blanca puede ser perfectamente constante. Los autores enfatizan que se necesitan más observaciones para poder calcular un valor preciso de la energía perdida por AR Sco, aunque los nuevos datos ya suponen un gran avance en el entendimiento de las propiedades del sistema.

Figura 1 (Figura 1 del artículo original): Observaciones de AR Sco obtenidas en junio de 2017. Se observan algo más de dos ciclos del periodo orbital de 3.56 horas. En el detalle, se observan las variaciones debidas al periodo de 117 segundos y las fluctuaciones debidas a la beat frequency.

Figura 2 (Figura 4 del artículo original): Análisis de Fourier aplicado a las observaciones. Ver texto principal para los detalles.

Las observaciones de AR Sco revelan pulsaciones o pulsos en tres periodos diferentes. El primero ocurre cada 3.56 horas y se debe al periodo orbital de la enana blanca y la estrella compañera alrededor de su centro común de masas. El segundo ocurre cada 117 segundos, y se debe a la rotación de la enana blanca sobre su eje. El tercero ocurre cada 118 segundos y se conoce como beat frequency; se debe a la superposición de los dos periodos anteriores. La figura 1 muestra las pulsaciones en los tres periodos descritos a lo largo de unas 8 horas de 0bservaciones, una parte de las más de 60 horas de datos obtenidos por el telescopio Radcliffe de 1.9 metros en el observatorio de Sutherland (Sudáfrica).

Los astrónomos emplearon análisis de Fourier para estudiar sus observaciones. Explicado de manera simple, esta técnica consiste en intentar separar los datos en distintas frecuencias para determinar aquellas que son dominantes y, por tanto, características de los datos. Cuando los datos tienen cierta periodicidad, como es el caso de los púlsares, el análisis de Fourier es una herramienta muy útil. La figura 2 muestra los resultados de la aplicación de esta técnica a las observaciones de los autores. En esta figura, Ω representa la frecuencia orbital del sistema y ω representa la frecuencia rotacional de la enana blanca. La columna de la izquierda muestra el análisis de Fourier para la frecuencia orbital y la beat frequency, representada por (ω-Ω), mientras que la columna de la derecha muestra los resultados para la frecuencia rotacional y sus múltiplos o armónicos. Las líneas verdes muestran los valores de ω y (ω-Ω) si las conclusiones de Marsh et al. (2016) se aplicaran a las nuevas observaciones, mientras que las líneas rojas y azules marcan los mejores valores según las conclusiones del artículo que hoy estamos tratando.

La figura 2 resalta la discrepancia entre las medidas para la tasa de reducción del periodo orbital de la enana blanca, Δω/Δt, según los dos estudios. Aunque el periodo en sí mismo concuerda en los dos estudios, las nuevas observaciones parecen indicar que no existe cambio alguno en el periodo rotacional.

Figura 3 (Figura 7 del artículo original): Exploración del espacio de posibles valores de periodo de rotación de la enana blanca y su variación. Las regiones oscuras indican los valores que mejor representan los datos y la cruz azul representa la solución de los autores sin variación del periodo.

Para explorar los rangos de posibles valores para el periodo y su tasa de variación, los autores vuelven a estudiar sus observaciones asumiendo distintas frecuencias. Estos resultados se muestran en la Figura 2b. Los autores concluyen con este test que cualquier valor para Δω/Δt entre -2 y 10^-16  Hz/s podría ser la solución correcta. Y con los datos que se tienen no se puede refinar más; como en incontables casos se necesitan más observaciones. Cuando nuevas observaciones estén disponibles, los astrónomos serán capaces de entender el balance energético de AR Sco y comprender los extraños procesos físicos que ocurren en el sistema y su historia evolutiva. Hasta entonces, no se puede saber qué tan rápido pierde energía esta peculiar enana blanca.

‡ Me gustaría mencionar el trabajo de Deanne Coppejans, Elmar Koerding y sus colaboradores en el que reportan que algunas enanas blancas en sistemas binarios donde se produce acrecimiento sí emiten en radio frecuencias: “Novalike cataclysmic variables are significant radio emitters”