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Captan los distintos pulsos en la llamarada magnética gigante de una estrella de neutrones

En apenas una décima de segundo, un tipo especialmente magnético de estrella de neutrones liberó una energía equivalente a la que produce el Sol en cien mil años. Su estudio, realizado por expertos entre los que se encuentran investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía y la Universidad de Cádiz, ha revelado múltiples pulsos en el pico de la erupción, que permitirán comprender estas aún poco conocidas llamaradas magnéticas gigantes.

Fuente: Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC)


Cádiz, Granada |
11 de enero de 2022

Entre las estrellas de neutrones, objetos que pueden contener medio millón de veces la masa de la Tierra en un diámetro de unos 20 kilómetros, destaca un pequeño grupo con el campo magnético más intenso conocido como los magnetares. Estos objetos, de los que apenas se conocen 30, sufren violentas erupciones aún poco conocidas debido a su carácter inesperado y a su corta duración, de apenas décimas de segundo. Un grupo científico encabezado por el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), y el Centro Birkelan para Ciencias del Espacio de la Universidad de Bergen (BCSS, Noruega), donde participa también una investigadora y profesora de la Universidad de Cádiz (UCA), ha publicado en la revista Nature el estudio de una erupción en detalle: han logrado medir distintas oscilaciones, o pulsos, en su brillo durante los instantes de mayor energía, que constituyen un componente crucial para comprender las llamaradas gigantes de los magnetares.

“Incluso en un estado inactivo, los magnetares pueden ser cien mil veces más luminosos que nuestro Sol –apunta Alberto J. Castro-Tirado, investigador del IAA-CSIC que encabeza el trabajo–. Pero en el caso del destello que hemos estudiado, GRB2001415, que se produjo el 15 de abril de 2020 y que duró solo en torno a una décima de segundo, la energía que se liberó es equivalente a la energía que irradia nuestro Sol en 100 mil años. Las observaciones revelaron múltiples pulsos, con un primero que apareció solo alrededor de decenas de microsegundos, mucho más veloz que otros fenómenos transitorios extremos”.

En un estudio pionero (Castro-Tirado, Østgaard, Göğüş et al., 2021) publicado en el último número de Nature, los autores, incluidos ocho investigadores de BCSS,  informan, por primera vez, de la fina estructura de la fase de explosión principal de un magnetar. “Durante el pico duro inicial, se observan dos oscilaciones cuasi-periódicas (QPO) de alta frecuencia prominentes”, ha detallado Ersin Göğüş (Universidad de Sabancı, Turquía). “Es probable, que esto cambie las reglas del juego en nuestra comprensión de las llamaradas gigantes de magnetar”, ha añadido Castro-Tirado.

Se cree que las erupciones en los magnetares pueden deberse a inestabilidades en su magnetosfera o a una especie de “terremotos” producidos en su corteza, una capa de carácter rígido y elástico de alrededor de un kilómetro de espesor. “Independientemente del desencadenante, en la magnetosfera de la estrella se crearán un tipo de ondas, las ondas de Alfvén, que son bien conocidas en el Sol y que, mientras rebotan hacia adelante y hacia atrás entre los puntos de la base de sus líneas de campo magnético, interactúan entre sí disipando energía”, en palabras del científico del IAA-CSIC.

Las oscilaciones detectadas en la erupción son consistentes con la emisión que produce la interacción entre las ondas de Alfvén, cuya energía es rápidamente absorbida por la corteza. Así, en unos pocos milisegundos termina el proceso de reconexión magnética y, por lo tanto, también los pulsos detectados en GRB200415, que desaparecieron a los 3.5 milisegundos después del estallido principal. El análisis del fenómeno ha permitido estimar que el volumen de la llamarada fue similar o incluso mayor al de la propia estrella de neutrones.

La erupción fue detectada por el instrumento ASIM, a bordo de la Estación Espacial Internacional, que fue el único de un total de siete capaz de registrar la fase principal de la erupción en su rango completo de energía sin sufrir saturaciones. El equipo científico pudo resolver la estructura temporal del evento, una tarea verdaderamente compleja que implicó más de un año de análisis para unos datos correspondientes a un solo segundo de observación.

Concepción artística de un magnetar. Fuente: BCSS/Mt. Visual.

“La detección de oscilaciones cuasiperiódicas en GRB200415 ha supuesto todo un reto desde el punto de vista del análisis de señal. La dificultad radica en la brevedad de la señal, cuya amplitud decae rápidamente y queda embebida en el ruido de fondo. Y, al ser ruido correlado, resulta difícil distinguir la señal del ruido. Debemos, pues, este logro a las sofisticadas técnicas de análisis de datos e inferencia Bayesiana que se han aplicado de manera independiente por los distintos miembros del equipo, pero también es –sin lugar a dudas – un logro tecnológico debido a la excelente calidad de los datos proporcionados por el instrumento ASIM de la Estación Espacial Internacional”, como ha argumentado Carmen Sánchez Gil, investigadora del departamento de Estadística e Investigación Operativa de la UCA.

Estas llamaradas se habían detectado en dos de los 30 magnetares conocidos en nuestra galaxia, la Vía Láctea, pero también en otros dos situados en otras galaxias. GRB2001415 sería la erupción en un magnetar más distante captada hasta la fecha, al hallarse en el grupo de galaxias Sculptor a unos 13 millones de años luz.

Según Kjetil Ullaland (BCSS y UiB, Noruega), los hallazgos notables “fueron posibles debido a la gran área efectiva y la alta resolución de tiempo de ASIM”. La electrónica sensible de ASIM ha permitido además a los científicos realizar investigaciones temporales y espectrales detalladas de las principales fases de la llamarada gigante. “Basándonos en la estructura temporal y la distribución de energía, distinguimos cuatro fases distintas durante la llamarada”, ha comentado Martino Marisaldi (BCSS y UiB, Noruega), “las variaciones espectrales repentinas encontradas en una escala de tiempo tan corta proporcionan otra visión crucial del rompecabezas”.

“Ya se han publicado varios artículos sobre la explosión del 15 de abril, utilizando datos del telescopio espacial de rayos gamma Fermi, Konus WIND y la misión Swift Gamma-Ray Burst”, ha adelantado el segundo autor y líder de BCSS Nikolai Østgaard. “Sin embargo, como ASIM fue la única misión que detectó la fase de explosión principal en todo el rango de energía de los fotones sin saturación, coloca al instrumento ASIM en una posición única para desvelar algunos de los secretos que rodean a los magnetares”.

En conclusión, “esta erupción ha proporcionado un componente crucial para comprender cómo se producen las tensiones magnéticas dentro y alrededor de una estrella de neutrones. El monitoreo continuo de magnetares en galaxias cercanas ayudará a comprender este fenómeno, y también allanará el camino para aprender más sobre las ráfagas de radio rápidas, a día de hoy uno de los fenómenos más enigmáticos de la astronomía”, ha finalizado el investigador principal.

Acerca de los magnetares y las estrellas de neutrones

Lo que le da vida a una estrella es la fusión nuclear de hidrógeno para formar helio en su núcleo. Las estrellas, dependiendo de su masa, se quedan sin combustible después de millones o miles de millones de años. En este punto, las estrellas masivas con 10 a 25 masas solares explotan, como supernovas, y pueden dejar sus núcleos colapsados ​​como remanentes compactos. Las condiciones extremas cuando se trata, por ejemplo, de presión y densidad, hacen que los protones y electrones se combinen en neutrones, de ahí el nombre de estrella de neutrones.

Al ser la clase más pequeña de objetos estelares, pero con una masa de aproximadamente 1,4 masas solares, las estrellas de neutrones son extremadamente densas: “una cuchara con masa de estrella de neutrones aquí en la Tierra pesaría tanto como el Monte Everest”, según ha explicado la docente de la UCA. Estas estrellas también pueden girar varios cientos de veces por segundo (en comparación, nuestra Tierra tarda 24 horas en realizar dicha rotación) y poseen campos magnéticos muy fuertes. “Si bien la intensidad del campo magnético de la Tierra varía de 0,25 a 0,65 Gauss, y la intensidad del campo magnético del Sol en promedio es de alrededor de 1 Gauss, es notable encontrar que el campo magnético en las estrellas de neutrones típicas varía de diez millones a un billón de Gauss”.

Una magnetar es “un tipo raro de estrella de neutrones que posee campos magnéticos extremadamente fuertes (hasta alrededor de un cuatrillón gauss), dando lugar a ráfagas muy enérgicas y características de rayos X y rayos gamma”. En nuestra galaxia, la Vía Láctea, hay pocos miles de estrellas de neutrones. De ellos, solo se sabe que 30 son magnetares. Las llamaradas gigantes de Magnetar son “tan brillantes que, cuando provienen de nuestra galaxia, saturan todos los instrumentos, lo que dificulta su investigación completa”.

Referencia bibliográfica:

A. J. Castro-Tirado et al. Very-high-frequency oscillations in the main peak of a magnetar giant flare. Nature, diciembre 2021.


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