El satélite Swift descubre por casualidad cinco fuentes de rayos-x ultraluminosas

• Título del artículo original: A new sample of transient ultraluminous X-ray sources serendipitously discovered by Swift/XRT.
• Autoría: Murray Brightman, Jean-Marie Hameury, Jean-Pierre Lasota, Ranieri D. Baldi, Gabriele Bruni, Jenna M. Cann, Hannah Earnshaw, Felix Fürst, Marianne Heida, Amruta Jaodand, Margaret Lazzarini, Matthew J. Middleton, Dominic J. Walton, Kimberly A. Weaver.
• Institución del primer autor: Cahill Center for Astrophysics, California Institute of Technology, Pasadena, EEUU.
• Estado de la publicación: aceptado para publicación en The Astrophysical Journal, acceso abierto en arxiv.

Imagina que acabas de sacar una bonita foto del atardecer pero cuando vas a mirarla en el móvil… ¿Qué es ese manchurrón luminoso en un lado? Vaya, parece que una inoportuna farola se encendió justo cuando sacaste la foto. Pero ¿y si te interesan las farolas? ¡Qué suerte que la pillaste por casualidad! Algo así es lo que ha pasado en el artículo del que hablaremos hoy.

Fuentes de rayos X ultraluminosas

En este caso, las imágenes son de galaxias y los inesperados puntos, fuentes de rayos X ultraluminosas (ULX). Estos objetos se llaman así por sus formidables luminosidades en rayos X, de más de 10³⁹ erg/s ¡La luminosidad de más de 10 billones de soles! Ese valor límite corresponde a la luminosidad de Eddington, lo máximo que en teoría puede brillar una estrella manteniendo el equilibrio entre la gravedad (que intenta hundir la estrella) y la radiación (que intenta expandirla). Por ello, observar en algún objeto luminosidad súper-Eddington suele implicar que se está eyectando gas hacia el exterior. Sin embargo, aún no se sabe con certeza qué son las ULX.

Sean lo que sean, viven en otras galaxias y la mayoría son “persistentes”, ya que pueden observarse en rayos X continuamente. Sin embargo, otras ULX son “transitorias”: sólo mantienen luminosidades tan extremas durante unas pocas semanas o meses y luego se apagan. Estas son más difíciles de detectar, ¡si no las miras mientras están activas, te las pierdes!

El caso es que el equipo del artículo de hoy aprovechó imágenes de galaxias tomadas con otros fines para mirar si, por casualidad, había alguna ULX en ellas. ¡Y las encontraron!

Un vencejo espacial observa ULX

Las imágenes se estaban obteniendo con el satélite espacial Swift, que se caracteriza por su agilidad para cambiar de objeto de observación. De hecho, esta característica le da nombre haciendo referencia a un grupo de aves muy ágiles, los apódidos (“swift” en inglés). Swift observa decenas de objetos cada día y las imágenes son públicas enseguida, así que el equipo firmante del artículo pasó varios años descargando diariamente las nuevas imágenes para investigar si había algún objeto que no se hubiese detectado antes en esa zona del cielo.

Los frutos de dicha búsqueda se publican en el artículo de hoy: 5 ULX observadas en imágenes de tres galaxias distintas. La primera es NGC 4945 (Figura 1, panel superior), donde encontraron dos ULX. Gracias a que las descubrieron en imágenes tomadas casi en tiempo real, enseguida solicitaron tiempo de observación con otros telescopios para hacerles seguimiento. Y en apenas 60 y 250 días se volvieron indetectables, lo que significa que se trata de ULXs transitorias.

Otras dos ULX se encontraron en imágenes de la galaxia NGC 7793, descubierta por Caroline Herschel en 1783 (Figura 1, panel central), y la quinta ULX fue vista cerca del núcleo de la galaxia M81 “de Bode” (Figura 1, panel inferior). Todas estas ULX eran también transitorias y tardaron 100-200 días en dejar de ser visibles.

¿Qué pueden ser estas fuentes?

Además de averiguar que estas cinco ULX son transitorias, el equipo también logra confirmar que viven en las galaxias junto a las que aparecen en las imágenes. Podrían haber estado mucho más cerca o lejos y que simplemente las viésemos superpuestas a dichas galaxias debido a la perspectiva, pero el equipo ha podido descartarlo.

Sabiendo esto, las distancias a las galaxias (3-4 megaparsecs) y las luminosidades máximas que alcanzaron estos objetos (2-3 veces la de Eddington), el equipo trata de determinar qué tipo de objetos podría producir semejantes brillos. Enseguida descartan que sean supernovas ya que, aunque pueden producir luminosidades similares, debería verse algún tipo de emisión también en imágenes ópticas, no sólo en rayos X (columna derecha de la Figura 1).

Otra opción es que sean binarias de rayos X, parejas formadas por una estrella y un objeto compacto (agujero negro o estrella de neutrones). Se sabe que otras ULX son binarias de esta clase, en especial con estrellas tipo “Be” (gigantes que pierden gas por su rápida rotación). Las luminosidades de estas son muy parecidas a las luminosidades de las recién descubiertas, pero hay que tener más información antes de sacar conclusiones precipitadas.

Suponiendo que estas ULX fuesen binarias de rayos X, hay que estudiar sus estrellas para determinar si son de tipo Be. Esto no puede saberse con la información disponible, pero sí se puede estimar cuál sería más probable estudiando otras estrellas cercanas. Por ejemplo: si el “vecindario estelar” está formado por estrellas jóvenes, es probable que si la ULX tiene una estrella, esta sea también joven. Siguiendo esta idea, el equipo determina que una de las ULX descubiertas tiene cerca una estrella de secuencia principal. Estas suelen ser medianamente jóvenes (1-10 Myr) y producen energía fusionando hidrógeno para dar lugar a helio, como nuestro Sol. Sin embargo, dos de las ULX descubiertas están cerca de gigantes rojas, estrellas mucho más viejas (100-300 Myr), grandes y frías que ya agotaron sus reservas de hidrógeno del núcleo.

Las estrellas “Be” suelen ser jóvenes y masivas, así que el escenario de que las nuevas ULX sean binarias de rayos X tipo Be (Figura 2) sólo encajaría para la que tiene cerca estrellas de secuencia principal. Un escenario alternativo para las otras ULX es que sean binarias de una gigante roja que pierde gas en favor de una estrella de neutrones, lo cual se había sugerido en trabajos previos.

Diferencia entre persistentes y transitorias

En cualquier caso, el equipo encuentra que estas ULX transitorias tienen características muy similares a las de las otras ULX persistentes conocidas, así que podrían ser el mismo tipo de objetos.

Por otro lado, los hallazgos implican que las tres galaxias estudiadas tienen alrededor de una ULX transitoria al año. Esto puede no parecer mucho, pero si se tiene en cuenta el tiempo en que se han estado buscando, las ULX transitorias podrían ser mucho más frecuentes que las persistentes, al menos para las galaxias estudiadas.

En conclusión, aunque menos estudiadas hasta ahora, las ULX transitorias tienen mucho que decir aún, pero se necesitan búsquedas sistemáticas más frecuentes que aumenten el número de estos sistemas conocidos. ¡Queda mucho trabajo por delante!