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Realizan las Primeras Mediciones Precisas y el Primer Mapa de Superficie de un Púlsar

Simulación de una posible configuración de campo magnético cuadripolar para un púlsar con puntos calientes solo en el hemisferio sur. Créditos: NASA/GSFC
Simulación de una posible configuración de campo magnético cuadripolar para un púlsar con puntos calientes solo en el hemisferio sur. Créditos: NASA/GSFC

Los astrofísicos están rediseñando la imagen de los libros de texto de los púlsares, los restos densos y giratorios de estrellas que han explotado, gracias a al instrumento NICER de la NASA, un telescopio de rayos X a bordo de la Estación Espacial Internacional. Utilizando datos de NICER, los científicos han obtenido las primeras mediciones precisas y confiables tanto del tamaño de un púlsar como de su masa, así como el primer mapa de puntos calientes en su superficie.

El púlsar en cuestión, J0030 + 0451 (J0030 para abreviar), se encuentra en una región aislada del espacio a 1.100 años luz de distancia en la constelación de Piscis. Al medir el peso y las proporciones del púlsar, NICER reveló que las formas y ubicaciones de los «puntos calientes» de millones de grados en la superficie del púlsar son mucho más extrañas de lo que generalmente se creía.

«Desde su posición en la Estación Espacial, NICER está revolucionando nuestra comprensión de los púlsares», dijo Paul Hertz, director de la división de astrofísica en la sede de la NASA en Washington. “Los púlsares fueron descubiertos hace más de 50 años como faros de estrellas que se han derrumbado en núcleos densos, comportándose de manera diferente a todo lo que vemos en la Tierra. Con NICER podemos investigar la naturaleza de estos restos densos de formas que parecían imposibles hasta ahora».

Cuando una estrella masiva muere, se queda sin combustible, se derrumba bajo su propio peso y explota como una supernova. Estas muertes estelares pueden dejar atrás las estrellas de neutrones, que acumulan más masa que nuestro Sol en una esfera aproximadamente tan ancha como la isla de Manhattan. Los pulsares, que son una clase de estrella de neutrones, giran cientos de veces por segundo y barren haces de energía hacia nosotros con cada rotación. J0030 gira 205 veces por segundo.

Durante décadas, los científicos han estado tratando de descubrir exactamente cómo funcionan los púlsares. En el modelo más simple, un púlsar tiene un poderoso campo magnético con forma similar a un imán de barra doméstico. El campo es tan fuerte que arranca partículas de la superficie del púlsar y las acelera. Algunas partículas siguen el campo magnético y golpean el lado opuesto, calentando la superficie y creando puntos calientes en los polos magnéticos. Todo el púlsar brilla tenuemente en rayos X, pero los puntos calientes son más brillantes. A medida que el objeto gira, estos puntos se deslizan dentro y fuera de la vista como los rayos de un faro, produciendo variaciones extremadamente regulares en el brillo de rayos X del objeto. Pero los nuevos estudios de NICER sobre J0030 muestran que los púlsares no son tan simples.

Utilizando observaciones de NICER desde Julio de 2017 hasta Diciembre de 2018, dos grupos de científicos mapearon los puntos calientes de J0030 utilizando métodos independientes y convergieron en resultados similares para su masa y tamaño. Un equipo dirigido por Thomas Riley, un estudiante de doctorado en astrofísica computacional, y su supervisora Anna Watts, profesora de astrofísica en la Universidad de Amsterdam, determinaron que el púlsar tiene alrededor de 1,3 veces la masa del Sol y 25,4 kilómetros de ancho. Cole Miller, un profesor de astronomía en la Universidad de Maryland (UMD) que dirigió el segundo equipo, descubrió que J0030 tiene aproximadamente 1,4 veces la masa del Sol y es un poco más grande, aproximadamente 26 kilómetros de ancho.

«Cuando comenzamos a trabajar en J0030, nuestra comprensión de cómo simular los púlsares era incompleta, y todavía lo es», dijo Riley. «Pero gracias a los datos detallados de NICER, las herramientas de código abierto, las computadoras de alto rendimiento y el excelente trabajo en equipo, ahora tenemos un marco para desarrollar modelos más realistas de estos objetos».

Un púlsar es tan denso que su gravedad deforma el espacio-tiempo cercano, el «tejido» del universo como lo describe la teoría general de la relatividad de Einstein, de la misma manera que una bola de boliche en un trampolín estira la superficie. El espacio-tiempo está tan distorsionado que la luz del lado del púlsar que se aleja de nosotros se «dobla» y se redirige a nuestra vista. Esto hace que la estrella se vea más grande de lo que es. El efecto también significa que los puntos calientes nunca desaparecerán por completo al girar hacia el otro lado de la estrella. NICER mide la llegada de cada radiografía de un púlsar a más de cien nanosegundos, una precisión aproximadamente 20 veces mayor que la disponible anteriormente, por lo que los científicos pueden aprovechar este efecto por primera vez.

«Las incomparables mediciones de rayos X de NICER nos permitieron hacer los cálculos más precisos y confiables del tamaño de un púlsar hasta la fecha, con una incertidumbre de menos del 10%», dijo Miller. «Todo el equipo de NICER ha hecho una contribución importante a la física fundamental que es imposible de investigar en los laboratorios terrestres».

Nuestra vista desde la Tierra mira hacia el hemisferio norte de J0030. Cuando los equipos mapearon las formas y ubicaciones de los puntos de J0030, esperaban encontrar uno allí basado en la imagen de los libros de texto de los púlsares, pero no lo hicieron. En cambio, los investigadores identificaron hasta tres «puntos» calientes, todos en el hemisferio sur.

Riley y sus colegas realizaron rondas de simulaciones utilizando círculos superpuestos de diferentes tamaños y temperaturas para recrear las señales de rayos X. Realizar su análisis en la supercomputadora nacional holandesa Cartesius llevó menos de un mes, pero habría requerido alrededor de 10 años en una computadora de escritorio moderna. Su solución identifica dos puntos calientes, uno pequeño y circular y el otro largo y en forma de media luna.

El grupo de Miller realizó simulaciones similares, pero con óvalos de diferentes tamaños y temperaturas, en la supercomputadora Deepthought2 de UMD. Encontraron dos configuraciones de puntos posibles e igualmente probables. Uno tiene dos óvalos que coinciden estrechamente con el patrón encontrado por el equipo de Riley. La segunda solución agrega un tercer punto más frío ligeramente torcido del polo sur rotacional del púlsar.

Las predicciones teóricas anteriores sugerían que las ubicaciones y formas de los puntos calientes podrían variar, pero los estudios de J0030 son los primeros en mapear estas características de la superficie. Los científicos todavía están tratando de determinar por qué los puntos de J0030 están dispuestos y conformados como están, pero por ahora está claro que los campos magnéticos del púlsar son más complicados que el modelo tradicional de dos polos.

El principal objetivo científico de NICER es determinar con precisión las masas y los tamaños de varios púlsares. Con esta información, los científicos finalmente podrán descifrar el estado de la materia en los núcleos de las estrellas de neutrones, materia aplastada por enormes presiones y densidades que no se pueden replicar en la Tierra.

«Es notable, y también muy tranquilizador, que los dos equipos lograron tamaños, masas y patrones de puntos calientes similares para J0030 utilizando diferentes enfoques de modelado», dijo Zaven Arzoumanian, líder científico de NICER en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. «Nos dice que NICER está en el camino correcto para ayudarnos a responder una pregunta duradera en astrofísica: ¿qué forma tiene la materia en los núcleos ultradensos de las estrellas de neutrones?»

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