XMM-Newton descubre una estrella de neutrones 'tambaleante'

XMM-Newton image of pulsar 'RX J0720.4-3125'
Imagen del pulsar “RX J0720.4-3125” del observatorio XMM-Newton
27 abril 2006

Un equipo internacional de astrofísicos ha encontrado con el observatorio de rayos X de la ESA (Agencia Espacial Europea), XMM-Newton, una estrella de neutrones giratoria que parece menos estable de lo esperado. Estas observaciones de rayos X podrían proporcionar un conocimiento más detallado sobre la evolución termal y, en última instancia, la estructura interna de las estrellas de neutrones.

Las estrellas de neutrones rotatorias, también conocidas como púlsares, son consideradas por lo general rotores altamente estables. Gracias a las señales periódicas que emiten, bien en longitudes de onda de radio o bien en las de rayos X, pueden servir como precisos “relojes” astronómicos.

Los científicos descubrieron que durante los últimos cuatro años y medio la temperatura de un enigmático objeto, llamado RX J0720.4-3125, iba en aumento. Sin embargo, observaciones muy recientes han mostrado que esta tendencia se ha revertido, y que la temperatura está ahora disminuyendo.

Según los científicos este efecto no se debe a una variación real de la temperatura, sino a una geometría visual cambiante. RX J0720.4-3125 está muy probablemente “en precesión”, esto es, se está tambaleando lentamente y por tanto, expone a los observadores diferentes áreas de su superficie.

Las estrellas de neutrones son uno de los finales posibles en la vida de una estrella. Con una masa comparable a la de nuestro Sol confinada en una esfera de 20-40 kilómetros de diámetro, la densidad de estos objetos es incluso algo mayor que la del núcleo atómico –mil millones de toneladas por centímetro cúbico-. Las estrellas de neutrones se forman tras una explosión de supernova; en las primeras etapas de su existencia su temperatura es del orden de un millón de grados centígrados, y la mayor parte de su emisión térmica cae en la banda de rayos X del espectro electromagnético. Las estrellas de neutrones jóvenes aisladas se enfrían lentamente y requieren un millón de años antes de llegar a ser demasiado frías como para poder ser observadas en rayos X.

Las estrellas de neutrones son conocidas por poseer campos electromagnéticos muy intensos, típicamente varios billones de veces más intensos que el de la Tierra. El campo magnético puede ser tan intenso que afecte al transporte de calor desde el interior de la estrella hasta la corteza, induciendo puntos calientes alrededor de los polos magnéticos de la superficie estelar.

La emisión desde estos casquetes polares más calientes es dominante en el espectro de rayos X. Sólo se conocen unas pocas estrellas de neutrones aisladas de las que podemos observar directamente la emisión térmica de la superficie de la estrella. Una de ellas es RX J0720.4-3125, con un período de rotación de unos ocho segundos y medio. “Debido a la larga escala de tiempo del enfriamiento fue muy inesperado ver su espectro de rayos X cambiando en un par de años”, afirma Frank Haberl del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching (Alemania), quien dirige el equipo investigador.

“Es muy improbable que la temperatura global de la estrella de neutrones cambie tan rápidamente. Más bien estamos viendo diferentes áreas de la superficie estelar en diferentes momentos. Esto también se observa durante el período de rotación de la estrella de neutrones cuando las zonas calientes están visibles u ocultas a nuestra línea visual, y por tanto varía su contribución a la emisión total”, añade Haberl.

A una escala de tiempo mucho mayor puede observarse un efecto similar cuando la estrella de neutrones precede (de modo semejante a una peonza). En este caso, el propio movimiento de rotación del eje alrededor de un cono conduce, a lo largo de los años, a un lento cambio en la geometría visual. La precesión libre puede ser causada por una ligera deformación de la estrella de la esfera perfecta, lo que pude tener su origen en el muy intenso campo magnético.

Animación de una estrella de neutrones rotando y 'tambaleándose'

Durante las primeras observaciones de RX J0720.4-3125 en mayo de 2000, la temperatura observada estaba al mínimo y era visible, en su mayoría, la zona más grande y fría. Sin embargo, cuatro años después (en Mayo de 2004) la precesión llevó a la vista la mayor parte de la segunda zona, menor y más caliente, lo que hizo aumentar la temperatura observada. Esto probablemente explica la variación observada en la temperatura y sus áreas de emisión, así como su anti-correlación.

En su trabajo, Haberl y sus colegas desarrollaron un modelo para RX J0720.4-3125 que puede aclarar muchas de las características peculiares inexplicadas hasta ahora. En este modelo el cambio de temperatura a largo plazo se produce por diferentes segmentos de los dos casquetes polares calientes que se colocan a la vista cuando la estrella precede con un período de unos siete a ocho años.

Para que este modelo funcione las dos regiones polares emisoras deben tener diferentes temperaturas y tamaños, tal como ha sido recientemente propuesto en el caso de otro miembro de la misma clase de estrellas de neutrones aisladas.

Según el equipo, RX J0720.4-3125 es, probablemente, el mejor caso para estudiar la precesión de una estrella de neutrones mediante su emisión de rayos X de la superficie estelar visibles directamente. La precesión puede ser una potente herramienta para sondear el interior de la estrella de neutrones y aprender sobre el estado de la materia bajo condiciones que no podemos reproducir en el laboratorio.

Se prevén observaciones adicionales con el observatorio XMM-Newton para monitorizar este intrigante objeto. “Continuamos con el modelo teórico con el que esperamos aprender más sobre la evolución térmica y la geometría del campo magnético de esta particular estrella así como la estructura interior de las estrellas de neutrones en general”, concluye Haberl.

Notas a los editores:

Estos resultados se publicarán en la revista científica Astronomy & Astrophysics (astro-ph/0603724). El artículo, “Evidence for precession of the isolated neutron star RX J0720.4-3125” (Evidencia de la precesión de la estrella de neutrones aislada RX J0720.4-3125), está realizado por Frank Haberl (Instituto Max-Planck de Física Extraterrestre, Garching, Alemania), Roberto Turolla (Universidad de Padua, Italia), Cor P. De Vries (SRON, Utrecht, Holanda), Silvia Zane (Mullard Space Science Laboratory, Universidad College Londres, Reino Unido), Jacco Vink (Universidad de Utrecht, Holanda), Mariano Méndez (SRON, Utrecht, Holanda) y Frank Verbunt (Universidad de Utrecht, Holanda).

Para más información:

Frank Haberl, Instituto Max-Planck de Física Extraterrestre, Garching, Alemania
E-mail: fwh @ mpe.mpg.de

Norbert Schartel, Científico del Proyecto XMM-Newton de la ESA
E-mail: norbert.schartel @ sciops.esa.int

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