Las estrellas de neutrones son uno de los objetos astronómicos más fascinantes del Universo conocido. Además de ser el tipo de estrella más denso (con la posible excepción de las estrellas de quark), también se sabe que forman pares binarios con estrellas masivas. Hasta la fecha, solo se han descubierto 39 de estos sistemas, y se han detectado aún menos que estén compuestos por una estrella masiva y una estrella de neutrones de rayos gamma de muy alta energía (VHE).
Hasta la fecha, solo se han encontrado dos de estos sistemas, el segundo de los cuales fue descubierto hace unos años por un equipo de astrónomos internacionales conocido como la colaboración del Sistema de matriz de telescopio de imágenes de radiación muy enérgica (VERITAS). Además de ser un hallazgo raro, el descubrimiento también fue muy afortunado, ya que el comportamiento inusual que observaron proveniente de este sistema no volverá a ocurrir hasta 2067.
En pocas palabras, las estrellas de neutrones son los restos densos de una estrella que ha explotado en una supernova, dejando un objeto extremadamente denso y compacto que gira rápidamente. Esto hace que una estrella de neutrones genere potentes campos magnéticos que enfocan su radiación en un haz estrecho, que aparece como un faro cuando se ve de borde. Cuando estos rayos se cruzan con la Tierra, los astrónomos pueden detectar estos pulsos en la radio y otras longitudes de onda.
Dado que es común que las estrellas masivas formen pares binarios, no es sorprendente que algunos púlsares tengan un compañero en órbita que sobrevivió a su compañero en supernova. También es común que estos sistemas tengan discos de escombros, que se ven afectados por el púlsar que gira rápidamente. A medida que la radiación colisiona con los escombros, crea partículas cargadas que pueden acelerarse a casi la velocidad de la luz, dando como resultado rayos gamma de muy alta energía (VHE).
Utilizando los cuatro telescopios de 12 m en el Observatorio Fred Lawrence Whipple, operado por el Observatorio Astrofísico Smithsoniano (SAO), la colaboración VERITAS comenzó a rastrear lo que se pensaba que era un sistema de pulsar de rayos gamma VHE en 2016. Esta fuente se encuentra en un vivero estelar masivo a unos 5000 años luz de la Tierra en dirección a la constelación de Cygnus.
Con la ayuda de un equipo de astrónomos que utilizaron los dos telescopios Cherenkov de imágenes gamma atmosféricas mayores de 17 m (MAGIC) (ubicados en el Observatorio El Roque de Los Muchachos en las Islas Canarias), el equipo descubrió que el púlsar tenía un compañero estelar masivo que orbitaba cada 50 años en una órbita extremadamente elíptica. Los dos equipos también calcularon que las estrellas estarían en los puntos más cercanos de su órbita antes del 13 de noviembre de 2017, y no volverían a estar hasta 2067.
Los directores de la colaboración VERITAS habían participado previamente con otros astrónomos para monitorear este sistema antes, durante y después de su acercamiento más cercano. Utilizando los cuatro telescopios del Observatorio Fred Lawrence Whipple, detectaron los rayos gamma de los extremadamente breves destellos de radiación de Cherenkov que aparecen en los cielos cuando son absorbidos por la atmósfera de la Tierra.
Las observaciones iniciales, realizadas en 2016, revelaron emisiones débiles de rayos gamma, que fueron consistentes con el hecho de que el sistema binario está incrustado en un vivero estelar. "Esta emisión constante de bajo nivel es muy probable que provenga de una nebulosa que es impulsada continuamente por el púlsar", dijo Ralph Bird, un investigador post-doctoral en la Universidad de California en Los Ángeles que desempeñó un papel de liderazgo en la campaña VERITAS.
Por lo tanto, los científicos esperaron a que las estrellas alcanzaran el punto más cercano en su órbita para ver si habría algún cambio. Según Alicia López Oramas, investigadora con MAGIC del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y una de las autoras correspondientes del estudio, "se esperaba que un sistema tan único emitiera rayos gamma de muy alta energía durante este enfoque. , y esta oportunidad no podía ser desaprovechada ".
Para septiembre, las cosas comenzaron a cambiar drásticamente. Como Tyler Williamson, un estudiante graduado del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Delaware y otro colaborador clave de VERITAS, indicó:
“El flujo de rayos gamma que observamos en septiembre fue el doble del valor anterior. Durante el acercamiento más cercano entre la estrella y el púlsar, en noviembre de 2017, el flujo aumentó 10 veces en una sola noche ".
Para explicar este comportamiento, el equipo comparó modelos teóricos basados en las últimas teorías sobre púlsares, discos de escombros y las emisiones resultantes de sus observaciones. Esto resultó infructuoso, lo que los llevó a concluir que se necesitan revisiones significativas, que incluyen una mejor información sobre el encuentro entre las dos estrellas.
En resumen, se necesitan más observaciones de este par binario antes de poder realizar un modelado adecuado. Esto no es sorprendente ya que este sistema es solo el segundo caso de un sistema de púlsar binario que exhibe emisión de rayos gamma VHE. Sin embargo, las observaciones recopiladas por los dos equipos fueron invaluables, dado que todas las explicaciones previas sobre el comportamiento de los binarios del pulsar de rayos gamma VHE eran especulaciones.
En los próximos años, los científicos planean continuar observando este y otros púlsares para monitorear el comportamiento exótico que proviene de este tipo extremo de objeto. Y si se pueden desarrollar modelos adecuados para este sistema en particular, será de gran valor para los científicos, ya que ofrecerá información sobre el nacimiento y la evolución de objetos compactos, que van desde los púlsares hasta los sistemas binarios de agujeros negros.
Como dijo Wystan Benbow, astrofísico de la CfA, "la inversión continua en la operación de instalaciones únicas y de vanguardia como VERITAS es crítica y garantizará nuevas oportunidades para lograr una ciencia transformadora".
La colaboración de VERITAS es un grupo de 80 científicos de 20 instituciones con sede en los Estados Unidos, Canadá, Alemania e Irlanda. El estudio que describe sus hallazgos apareció recientemente en el Letras de revistas astrofísicas. El Observatorio Fred Lawrence Whipple es operado por el Observatorio Astrofísico Smithsoniano (SAO).
