Un viento inusual de una estrella de neutrones desafía la física del espacio

El X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) identificó un sorprendente contraste entre los vientos que emanan de un disco alrededor de una estrella de neutrones y aquellos observados cerca de agujeros negros supermasivos. El sistema de la estrella de neutrones produce un flujo inusualmente denso que desafía las ideas actuales sobre cómo se forman estos vientos y cómo remodelan su entorno.

El 25 de febrero de 2024, XRISM utilizó su instrumento Resolve para observar la estrella de neutrones GX13+1, el remanente compacto de una estrella que fue más grande. GX13+1 brilla intensamente en rayos X que provienen de un disco de material sobrecalentado que espirala hacia adentro y golpea la superficie de la estrella.

Estos flujos hacia adentro también pueden lanzar poderosos vientos que alteran el espacio a su alrededor. La forma en que surgen estos vientos aún se encuentra bajo investigación, razón por la cual el equipo eligió observar a GX13+1.

Resolve puede medir con precisión la energía de fotones individuales de rayos X, por lo que los científicos anticiparon ver detalles finos que nunca se habían capturado antes.

"Cuando vimos la riqueza de detalles en los datos, sentimos que estábamos presenciando un resultado que cambiaría las reglas del juego", comentó Matteo Guainazzi, científico del proyecto XRISM de la ESA. "Para muchos de nosotros, fue la realización de un sueño que habíamos perseguido durante décadas".

Importancia de los vientos cósmicos

Estos vientos no son solo curiosidades. Impulsan cambios a gran escala en el universo.

Vientos similares también soplan desde sistemas con agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias. Pueden comprimir nubes moleculares gigantes para desencadenar el nacimiento de estrellas o calentar y dispersar esas nubes para detener la formación estelar. Los astrónomos se refieren a este empuje y tirón como retroalimentación, y en casos extremos, el viento de un agujero negro central puede regular el crecimiento de toda su galaxia anfitriona.

Dado que los procesos alrededor de agujeros negros supermasivos podrían reflejarse en aquellos cerca de GX13+1, el equipo eligió este sistema de estrella de neutrones como un objetivo más cercano y brillante que podría revelar la física subyacente con mayor detalle.

Un aumento oportuno hacia el límite de Eddington

Justo antes de las observaciones planificadas, GX13+1 se iluminó inesperadamente y alcanzó o incluso superó el límite de Eddington.

Este límite describe lo que sucede a medida que la materia cae sobre un objeto compacto como un agujero negro o una estrella de neutrones. Cuanta más materia cae, más energía se libera. A medida que aumenta la producción de energía, la radiación ejerce presión sobre el material entrante y lo empuja hacia afuera. En el límite de Eddington, la luz de alta energía producida puede impulsar casi toda la materia que cae de regreso al espacio como un viento.

Resolve registró a GX13+1 durante esta fase dramática.

"No podríamos haber programado esto si lo hubiéramos intentado", dijo Chris Done, de la Universidad de Durham, Reino Unido, el investigador principal del estudio. "El sistema pasó de aproximadamente la mitad de su máxima producción de radiación a algo mucho más intenso, creando un viento que era más denso de lo que habíamos visto antes".

Un viento lento y denso desafía las expectativas

A pesar de la intensa erupción, la velocidad del viento se mantuvo cerca de 1 millón de km/h. Eso es rápido en la Tierra, pero lento en comparación con los vientos cerca del límite de Eddington alrededor de agujeros negros supermasivos, donde los flujos pueden alcanzar entre el 20 y el 30 por ciento de la velocidad de la luz, más de 200 millones de km/h.

"Todavía me sorprende lo 'lento' que es este viento", dice Chris, "así como lo denso que es. Es como mirar al Sol a través de un banco de niebla que se acerca a nosotros. Todo se oscurece cuando la niebla es espesa".

Vientos de estrellas de neutrones vs. agujeros negros

Este no fue el único contraste. Observaciones anteriores de XRISM de un agujero negro supermasivo en el límite de Eddington revelaron un viento ultrarrápido y grumoso. En comparación, el flujo de GX13+1 parece lento y suave.

"Los vientos eran completamente diferentes, pero provienen de sistemas que son aproximadamente iguales en términos del límite de Eddington. Entonces, si estos vientos realmente son impulsados solo por la presión de radiación, ¿por qué son diferentes?", pregunta Chris.

La temperatura del disco de acreción como clave

El equipo sugiere que la respuesta radica en la temperatura del disco de acreción alrededor del objeto central. Contrariamente a la intuición, los discos alrededor de agujeros negros supermasivos tienden a ser más fríos que aquellos en sistemas de masa estelar con estrellas de neutrones o agujeros negros.

Los discos alrededor de agujeros negros supermasivos son mucho más grandes. Pueden ser extremadamente luminosos, pero ese poder se distribuye sobre un área vasta, por lo que la radiación típica que emiten alcanza su punto máximo en la luz ultravioleta. Los sistemas de masa estelar emiten radiación más fuertemente en rayos X.

La luz ultravioleta interactúa con la materia más fácilmente que los rayos X. Chris y sus colegas proponen que esta diferencia permite que la radiación ultravioleta empuje el material de manera más eficiente, generando los vientos mucho más rápidos observados cerca de agujeros negros supermasivos.

Implicaciones para la evolución de las galaxias

Si esta explicación se sostiene, refinará cómo los científicos piensan sobre el intercambio de energía y materia en entornos extremos. También podría aclarar cómo estos procesos influyen en el crecimiento de las galaxias y la evolución más amplia del cosmos.

"La resolución sin precedentes de XRISM nos permite investigar estos objetos —y muchos más— en un detalle mucho mayor, allanando el camino para el próximo telescopio de rayos X de alta resolución de próxima generación, como NewAthena", dice Camille Diez, investigadora de la ESA.

Resumen de la misión XRISM

XRISM (pronunciado krizz-em) fue lanzado el 7 de septiembre de 2023. La misión es liderada por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) en asociación con NASA y ESA. Opera con dos instrumentos: Resolve, un calorímetro de rayos X que mide la energía de fotones individuales de rayos X para ofrecer un nivel de resolución de energía sin precedentes, y Xtend, una cámara CCD de rayos X de campo amplio que imagina la región circundante.