ALMA y otros telescopios ayudan a desentrañar el enigma de un púlsar

30 Agosto, 2023 / Tiempo de lectura: 10 minutes

Tras una importante campaña de observación que involucró a 12 telescopios, tanto terrestres como espaciales, incluido el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo científico ha descubierto el origen del extraño comportamiento de un púlsar, una estrella muerta que gira a muy alta velocidad. Este misterioso objeto es conocido porque cambia casi constantemente entre dos modos de brillo, y se desconocía qué provocaba estas rápidas variaciones. Ahora se ha descubierto que las responsables de estos súbitos cambios son las eyecciones repentinas de materia del púlsar en períodos muy cortos.

"Hemos sido testigos de eventos cósmicos extraordinarios donde enormes cantidades de materia, similares a balas de cañón cósmicas, se lanzan al espacio en un lapso de tiempo muy breve, de decenas de segundos, desde un objeto celeste pequeño y denso que gira a velocidades increíblemente altas", declara María Cristina Baglio, investigadora de la Universidad de Nueva York Abu Dhabi, con filiación en el Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF) y autora principal del artículo publicado hoy en Astronomy & Astrophysics.

Un púlsar es una estrella muerta, magnética y de rotación rápida, que emite un haz de radiación electromagnética hacia el espacio. A medida que gira, este haz atraviesa el Cosmos (igual que el haz de un faro) y es detectado por la comunidad astronómica cuando se cruza con la línea de visión que vemos desde la Tierra. Esto hace que, visto desde nuestro planeta, el brillo de la estrella parezca pulsar.

PSR J1023+0038, o J1023 para abreviar, es un tipo especial de púlsar con un comportamiento extraño. Situado a unos 4500 años luz de distancia, en la constelación del Sextante, orbita de cerca otra estrella. Durante la última década, el púlsar ha estado sustrayendo activamente material de esta compañera, el que se ha ido acumulando en un disco alrededor del púlsar y va cayendo lentamente hacia él.

Desde que comenzó este proceso de acumulación de materia, prácticamente desapareció el haz de luz y el púlsar comenzó a cambiar de forma intermitente entre dos modos. En el modo "alto", el púlsar emite rayos X brillantes, luz ultravioleta y visible, mientras que en el modo "bajo" es más tenue en estas frecuencias y emite más ondas de radio. El púlsar puede permanecer en cada modo durante varios segundos o minutos, y luego cambiar al otro modo en solo unos segundos. Estos cambios han desconcertado a la comunidad astronómica hasta ahora.

"Nuestra campaña de observación sin precedentes, desarrollada para comprender el comportamiento de este púlsar, involucró a una docena de telescopios terrestres y espaciales de vanguardia", afirma Francesco Coti Zelati, investigador del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC, Barcelona, España) y coautor principal del artículo. La campaña incluyó ALMA, además de tres otros telescopios de sus socios: el Very Large Telescope (VLT) y al New Technology Telescope (NTT) del Observatorio Europeo Austral (ESO), que detectaron luz visible e infrarroja cercana; y el Very Large Array (VLA) del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) de Estados Unidos, que captó ondas de radio más largas que ALMA. Durante dos noches, en junio de 2021, observaron que el sistema realiza más de 280 cambios entre sus modos alto y bajo.

"Hemos descubierto que el cambio de modo proviene de una intrincada interacción entre el viento del púlsar, un flujo de partículas de alta energía que se alejan del púlsar y la materia que fluye hacia el púlsar", dice Coti Zelati, quien también tiene filiación en INAF.

En el modo bajo, la materia que fluye hacia el púlsar es expulsada en forma de estrecho chorro, perpendicular al disco. Poco a poco, esta materia se acumula cada vez más cerca del púlsar y, a medida que esto sucede, es azotada por los vientos que soplan desde la estrella pulsante, haciendo que la materia se caliente. Eso hace que el sistema pase al modo alto, brillando intensamente en rayos X, ultravioleta y luz visible. Finalmente, estas masas de materia caliente son eliminadas por el púlsar a través del chorro. Con menos materia caliente en el disco, el sistema brilla de forma menos intensa, volviendo al modo bajo.

Si bien este descubrimiento ha desvelado el misterio del extraño comportamiento de J1023, la comunidad astronómica aún tiene mucho que aprender del estudio de este sistema único, y nuevos telescopios continuarán ayudando para observar este peculiar púlsar. En particular, el Extremely Large Telescope (ELT) de ESO, actualmente en construcción en Chile, ofrecerá una visión sin precedentes de los mecanismos de conmutación de J1023. "El ELT nos permitirá obtener información clave sobre cómo la abundancia, distribución, dinámica y energía de la materia entrante alrededor del púlsar se ven afectadas por el comportamiento de cambio de modo", concluye Sergio Campana, Director de Investigación del Observatorio INAF Brera y coautor del estudio.

Información adicional

Este trabajo de investigación se ha presentado en un artículo científico publicado en la revista Astronomy & Astrophysics (doi:10.1051/0004-6361/202346418).

El equipo está formado por M. C. Baglio (Centro de Física Planetaria, de Partículas y Astrofísica, Universidad New York Abu Dhabi, Emiratos Árabes Unidos [NYU Abu Dhabi]; INAF – Observatorio Astronómico de Brera, Merate, Italia [INAF Brera]); F. Coti Zelati (Instituto de Ciencias del Espacio, Campus UAB, Barcelona, España [ICE–CSIC]; Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), Barcelona, España [IEEC]; INAF Brera); S. Campana (INAF Brera); G. Busquet (Departamento de Física Cuántica y Astrofísica, Universidad de Barcelona, España; Instituto de Ciencias del Cosmos, Universidad de Barcelona, España; IEEC); P. D’Avanzo (INAF Brera); S. Giarratana (INAF – Instituto de Radioastronomía, Bolonia, Italia [INAF Bologna]; Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Bolonia, Italia [Bologna]); M. Giroletti (INAF Bologna; Bologna); F. Ambrosino (INAF – Observatorio Astronómico de Roma, Roma, Italia [INAF Roma]); INAF – Instituto de Astrofísica y Planetología Espacial, Roma, Italia; Universidad de Roma La Sapienza, Roma, Italia); S.Crespi (NYU Abu Dhabi); A. Miraval Zanon (Agencia Espacial Italiana, Roma, Italia; INAF Roma); X. Hou (Observatorios Yunnan, Academia China de Ciencias, Kunming, China; Laboratorio Key para el estudio de la Estructura y la Evolución de Objetos Celestes, Academia China de Ciencias, Kunming, China); D. Li (Observatorios Astronómicos Nacionales, Academia China de Ciencias, Pekín, China; Universidad de la Academia China de Ciencias, Pekín, China; Centro de Investigación para Plataformas de Computación Inteligente, Laboratorio Zhejiang, Hangzhou, China); J. Li (Laboratorio Key para la Investigación en Galaxias y Cosmología del Observatorio Astronómico de Shanghái, Departamento de Astronomía, Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Hefei, China; Escuela de Astronomía y Ciencias Espaciales, Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Hefei, China); P. Wang (Instituto Fronteras de la Astronomía y la Astrofísica, Universidad Normal de Pekín, Pekín, China); D. M. Russell (NYU Abu Dhabi); D. F. Torres (INAF Brera; IEEC; Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados, Barcelona, España); K. Alabarta (NYU Abu Dhabi); P. Casella (INAF Roma); S. Covino (INAF Brera); D. M. Bramich (NYU Abu Dhabi; División de Ingeniería, Universidad New York Abu Dhabi, Emiratos Árabes Unidos); D. de Martino (INAF − Observatorio Astronómico de Capodimonte, Nápoles, Italia); M. Méndez (Instituto Astronómico Kapteyn, Universidad de Groningen, Groningen, Países Bajos); S. E. Motta (INAF Brera); A. Papitto (INAF Roma); P. Saikia (NYU Abu Dhabi); y F. Vincentelli (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife, España; Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Tenerife, España).

El comunicado de prensa original fue publicado por el Observatorio Europeo Austral (ESO), socio de ALMA en nombre de Europa.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación de ESO, la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales (NINS) de Japón en cooperación con la República de Chile. ALMA está financiado por ESO en nombre de sus Estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (NSTC) en Taiwán y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Astronomía y Ciencias Espaciales de Corea (KASI). 

La construcción y las operaciones de ALMA están lideradas por ESO en nombre de sus Estados miembros, por el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO), administrado por Associated Universities, Inc. (AUI) en nombre de América del Norte, y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia Oriental. El Joint ALMA Observatory (JAO) proporciona el liderazgo unificado y la gestión de la construcción, puesta en marcha y operación de ALMA.

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