La estrella de neutrones “Black Widow” devoró a su compañera, convirtiéndose en lo más pesado encontrado hasta el momento

Zoom / Una estrella de neutrones en rotación oscila periódicamente en radiación de radio (verde) y rayos gamma (púrpura) después de la ERT. El púlsar de la Viuda Negra calienta el lado que mira al compañero estelar de su compañero a temperaturas dos veces la temperatura de la superficie del Sol y se evapora lentamente.

Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

Los astrónomos han identificado la estrella de neutrones más pesada conocida hasta la fecha, con 2,35 masas solares, según un artículo de investigación publicado recientemente en Astrophysical Journal Letters. ¿Cómo te hiciste tan grande? Lo más probable es que devore una estrella compañera, el equivalente celestial de una araña viuda negra que devora a su compañera. El trabajo ayuda a establecer un límite superior sobre el tamaño que pueden alcanzar las estrellas de neutrones, con implicaciones para nuestra comprensión del estado cuántico de la materia en sus núcleos.

Las estrellas de neutrones son los restos de las supernovas. Como escribió el mes pasado el editor de Ars Science, John Timmer:

La materia que forma las estrellas de neutrones comienza como átomos ionizados cerca del núcleo de una estrella masiva. Una vez que las reacciones de fusión de una estrella dejan de producir suficiente energía para contrarrestar la atracción gravitacional, este material se contrae y experimenta presiones crecientes. La fuerza de aplastamiento es suficiente para eliminar los límites entre los núcleos atómicos, creando una sopa gigante de protones y neutrones. Al final, incluso los electrones de la región se ven obligados a formar muchos protones, convirtiéndolos en neutrones.

Esto finalmente proporciona una fuerza para comprimir la fuerza aplastante de la gravedad. La mecánica cuántica evita que los neutrones ocupen el mismo estado de energía muy cerca, y esto evita que los neutrones se acerquen demasiado y, por lo tanto, evita que colapsen en un agujero negro. Pero es posible que exista un estado intermedio entre una burbuja de neutrones y un agujero negro, donde los límites entre los neutrones comienzan a colapsarse, dando como resultado extraños cúmulos de sus quarks constituyentes.

Como no hay agujeros negros, los núcleos de las estrellas de neutrones son los objetos más densos que se conocen en el universo y, como están ocultos tras el horizonte de sucesos, son difíciles de estudiar. “Sabemos aproximadamente cómo se comporta la materia en la densidad nuclear, como lo hace en el núcleo de un átomo de uranio”, dijo Alex Filippenko, astrónomo de la Universidad de California, Berkeley y coautor del nuevo artículo de investigación. “Una estrella de neutrones es como un único núcleo gigante, pero cuando tienes 1,5 masas solares de esa materia, aproximadamente 500.000 masas terrestres de núcleos pegados entre sí, no está del todo claro cómo se va a comportar”.

Esta animación muestra el púlsar de una viuda negra con su joven compañero estelar. La fuerte radiación y el “viento” del púlsar, una corriente de partículas de alta energía, calienta fuertemente el lado que mira al compañero, evaporándolo con el tiempo.

La estrella de neutrones que aparece en esta última investigación es un púlsar, PSR J0952-0607, o J0952 para abreviar, ubicado en la constelación Sextans entre 3200 y 5700 años luz de la Tierra. Las estrellas de neutrones nacen girando y el campo magnético giratorio emite haces de luz en forma de ondas de radio, rayos X o rayos gamma. Los astrónomos pueden detectar púlsares a medida que sus rayos barren la Tierra. J0952 fue descubierto en 2017 gracias al radiotelescopio de baja frecuencia (LOFAR), siguiendo los datos sobre misteriosas fuentes de rayos gamma recopilados por el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA.

El púlsar gira a una velocidad de aproximadamente una rotación por segundo, o 60 por minuto. Pero J0952 gira a la friolera de 42.000 revoluciones por minuto, lo que lo convierte en el segundo púlsar más rápido conocido hasta la fecha. La hipótesis preferida actualmente es que estos tipos de púlsares alguna vez fueron parte de sistemas binarios, despojando gradualmente a sus estrellas compañeras hasta que estas últimas se evaporaron. Es por eso que estas estrellas se conocen como púlsares Black Widow, lo que Filpenko llama “el estado de ingratitud cósmica”:

El camino evolutivo es bastante notable. Doble signo de exclamación. A medida que la estrella compañera evoluciona y comienza a transformarse en una gigante roja, el material se filtra en la estrella de neutrones y orbita alrededor de la estrella de neutrones. Al girar, ahora tiene una energía increíble y un viento de partículas comienza a salir de la estrella de neutrones. Luego, este viento golpea la estrella donante y comienza a despojar la materia, y con el tiempo, la masa de la estrella donante se reduce a la masa de un planeta, y si pasa más tiempo, desaparece por completo. Entonces, así es como se pueden formar los púlsares de milisegundos. No estaban solos al principio, tenían que estar en pareja, pero gradualmente se evaporaron lejos de sus camaradas y ahora están distantes.

Este proceso explica cómo J0952 se volvió tan pesado. Dichos sistemas son una bendición para científicos como Filippenko y sus colegas, que están ansiosos por pesar con precisión las estrellas de neutrones. El truco consiste en encontrar sistemas binarios de estrellas de neutrones en los que la estrella compañera sea pequeña pero no demasiado pequeña para ser detectada. De las docenas de púlsares de Black Widow que el equipo ha estudiado a lo largo de los años, solo seis cumplieron con estos criterios.

Los astrónomos midieron la velocidad de una estrella tenue (un círculo verde) a la que una compañera invisible, una estrella de neutrones y un púlsar de milisegundos le han quitado casi toda su masa, y determinaron que es la más masiva hasta el momento y posiblemente el límite superior. de estrellas de neutrones.
Zoom / Los astrónomos midieron la velocidad de una estrella tenue (un círculo verde) a la que una compañera invisible, una estrella de neutrones y un púlsar de milisegundos le han quitado casi toda su masa, y determinaron que es la más masiva hasta el momento y posiblemente el límite superior. de estrellas de neutrones.

Observatorio WM Keck, Roger W. Romani, Alex Filippenko

La estrella compañera de J0952 tiene 20 veces la masa de Júpiter y está bloqueada orbitalmente en órbita con el púlsar. Por lo tanto, el lado que mira hacia J0952 es muy caliente, con temperaturas que alcanzan los 6200 K (10 700 grados Fahrenheit), lo que lo hace lo suficientemente brillante como para ser observado con un telescopio grande.

Filpenko et al. Pasó los últimos cuatro años realizando seis observaciones de J0952 usando el Telescopio Keck de 10 metros en Hawái para capturar a la estrella compañera en puntos específicos en su órbita de 6,4 horas alrededor del púlsar. Luego compararon los espectros resultantes con los espectros de estrellas similares al Sol para determinar la velocidad orbital. Esto, a su vez, les permitió calcular la masa del púlsar.

Encontrar más de estos sistemas ayudará a poner más restricciones en el límite superior de cuán grandes pueden llegar a ser las estrellas de neutrones antes de colapsar en agujeros negros, así como a desarrollar teorías en competencia sobre la naturaleza de la sopa de quarks en sus núcleos. “Podemos continuar buscando viudas negras y estrellas de neutrones similares que se deslicen cerca del borde del agujero negro”, dijo Filipenko. “Pero si no encontramos ninguno, se suma al argumento de que 2,3 masas solares es el verdadero límite, después del cual se convierten en agujeros negros”.

DOI: Astrophysical Journal Letters, 2022. 10.3847/2041-8213/ac8007 (sobre DOI).

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