Huérfanos espaciales de rayos X

Título del artículo original: CDF-S XT1: The off-axis afterglow of a neutron star merger at z=2.23

Autores: Nikhil Sarin. et al.

Institución del primer autor: School of Physics and Astronomy, Monash University, Vic 3800, Australia.

Estado de la publicación: enviado en ApJL, acceso abierto en arXiv.

Orígenes

Los estallidos de rayos gamma son explosiones altamente energéticas, como varios soles, y suelen estar causadas por el colapso de una estrella masiva o por la fusión de dos estrellas de neutrones. Sin embargo, el mecanismo detrás de este interesante fenómeno aún no está del todo claro, ya que hasta ahora lo más estudiado es la emisión de rayos X que se produce después del estallido. Este último fenómeno sí ha sido ampliamente investigado y se cree que es debido a la radiación sincrotrón producida en la interacción del jet relativista con el medio interestelar circundante. En general es te f…espera, muchos términos y fenómenos diferentes en muy pocas líneas, ¿no crees? Veamos primero un poco de contexto antes de adentrarnos más en esta historia.

Un poco (mucho) de contexto

Los rayos gamma son un tipo de radiación altamente energética producida por elementos radiactivos, aunque también se producen en ciertos fenómenos del universo. Nuestra galaxia está llena de ellos, aunque no se sepa del todo bien de donde vienen y como se originan. Lo llamativo de su energía no es la cantidad, que también, si no que se produce en un intervalo de tiempo muy pequeño y en una dirección concreta, como se ve en la Figura 1. Generalmente se producen en Núcleos de Galaxias Activos, que suelen estar formados por monstruosos agujeros negros.  Aunque en el caso de hoy nos centraremos en los producidos en sistemas binarios de estrellas de neutrones. Las estrellas de neutrones son la etapa final en la evolución de las estrellas con masas de entre 10-25 veces la masa del Sol, las cuales casi al final de su vida explotan como supernovas dejando tras de sí el núcleo. Tras la explosión el núcleo se compone de electrones y protones, pero al colapsar la presión es tan enorme que terminan combinándose en neutrones, formando así una estrella que puede llegar a tener hasta 2 veces la masa del Sol pero contenida en una esfera de tan solo 20 kilómetros. Algunas veces las estrellas de neutrones se encuentran en sistemas binarios, es decir, acompañada de otra estrella que puede ser otra estrella masiva, una normalita o incluso un agujero negro. Pero el particular caso que encontramos hoy es cuando la estrella de neutrones está acompañada por otra estrella de neutrones, y ambas están rodeadas por todo el material estelar que se expulsó en sus respectivas explosiones de supernova. Y si ya es casualidad encontrar dos estrellas con la masa necesaria para explotar como supernova y dejar una estrella de neutrones, imagínate si encuentras dos que colisionan.

Como podrás imaginar tras la colisión de ambas estrellas se producen rayos gamma, que salen disparados en una dirección concreta como se ve en las figuras 1 y 2. El mecanismo que produce esta radiación gamma todavía no se tiene muy claro, ya que debido a la dirección concreta de los rayos gamma si no estás en su camino, no lo ves, lo que provoca que no se haya podido estudiar mucho este fenómeno. Por suerte, junto con la emisión gamma también se producen jets relativistas en las estrellas de neutrones binarias, aunque como tienen la misma dirección que los rayos gamma si no estás delante, te lo pierdes. Pero, los jets están formados por materia ionizada que viaja a velocidades cercanas a la de la luz, entre esta materia encontramos partículas cargadas como son los electrones, los cuales va a altas velocidades, pero pueden curvar su trayectoria si se encuentran con un campo magnético. Este cambio en la trayectoria emite lo que se conoce como radiación sincrotrón, y dependiendo de la velocidad del electrón puede ser una radiación más o menos energética, y en nuestro caso los electrones van muy, pero que muy rápido, por lo que llegan a emitir rayos X. Ahora sí lo podemos ver y ha sido ampliamente estudiado, ya que está radiación se emite con forma como de cono, imagina que según el electrón se curva va emitiendo radiación, cuanto más grande la curva mayor el cono y más son las direcciones desde las que vemos los rayos X. Aunque al principio los electrones van muy, pero que muy rápido, según se adentran más en el material interestelar van disminuyendo su velocidad y el cono se hace más grande, como vemos representado en la figura 3.

Una historia conmovedora

Corría el año 2014 cuando el telescopio Chandra detectó una señal de rayos X que fue creciendo con el tiempo, se le nombró CDF-S XT1. A diferencia de otras emisiones en este caso no se encontró ninguna señal de radio, infrarrojo o en el rango visible, lo que significaba que se habían encontrado rayos X huérfanos. Varias hipótesis intentaron buscar a su familia, quizás venía de la onda de choque producida en una supernova o quizás se debía a la destrucción por fuerzas de marea de una enana blanca en un agujero negro. Pero ninguno de estos escenarios cuadraba con las características de este peculiar huérfano.

Hasta hace poco, cuando entra en acción el equipo de investigación del artículo que tratamos hoy. En el proponen que esta señal se trata de rayos X huérfanos producidos como efecto secundario de rayos gamma, al principio no se observaba emisión alguna del jet (cono azul en la figura 3) ya las altas velocidades hacían que el cono gris de emisión no fuese en dirección a la Tierra, esto sería el tiempo A de la figura 3. Luego, según el jet se va ralentizando hasta que el cono gris de emisión entra levemente en la línea de visión de la Tierra y se comienzan a detectar los primeros fotones de rayos X, tiempo B. La emisión alcanzó su pico de intensidad, y al disminuir la velocidad del jet pudimos observar mucha más señal, aunque cada vez menos intensa.

 

Al final todo cuadra y este huérfano ya conoce sus orígenes, de ser así se convierte en uno de los primeros huérfanos de rayos X detectado y plantea otras cuestiones, como que le número de colisiones de estrellas binarias de neutrones es más alto del que se pensaba lo que podría jugar un papel importante en la evolución química del universo. Aunque por supuesto, como todo el ciencia, más pruebas y datos son necesarios para confirmar esto al 100%, y así poder detectar más y más huérfanos.