La Misión de Espectroscopía e Imágenes de Rayos X (XRISM) ha detectado un contraste sorprendente entre el viento que surge de un disco alrededor de estrellas de neutrones y los que se ven más cerca de los agujeros negros supermasivos. Los sistemas de estrellas de neutrones producen un flujo inusualmente denso que desafía las ideas actuales sobre cómo se forman estos vientos y cómo dan forma a 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 alguna vez fue masiva. GX13+1 brilla intensamente en rayos X que provienen de un disco de acreción de material sobrecalentado que gira en espiral hacia adentro y golpea la superficie de la estrella.
Estas corrientes entrantes también pueden desencadenar fuertes salidas que cambian el espacio que las rodea. Aún se está investigando cómo surgen estas salidas, razón por la cual el equipo apuntó a GX13+1.
Resolve puede medir con precisión la energía de fotones de rayos X individuales, por lo que los científicos esperaban ver detalles finos que nunca antes se habían capturado.
“Cuando vimos por primera vez la riqueza de detalles de los datos, sentimos que estábamos presenciando un resultado revolucionario”, afirmó el científico del proyecto XRISM de la ESA, Matteo Guinazzi. “Para muchos de nosotros, esto es la realización de un sueño que hemos estado persiguiendo durante décadas”.
¿Por qué es importante el viento cósmico?
Este viento no es sólo curiosidad. Impulsan cambios masivos en el universo.
Vientos similares también fluyen de sistemas con agujeros negros supermasivos en los centros galácticos. Pueden comprimir nubes moleculares gigantes para desencadenar la formación de estrellas o el calor, y pueden dispersar esas nubes para detener la formación. Los astrónomos se refieren a este tira y afloja como retroalimentación y, en casos extremos, el viento de un agujero negro central puede controlar el crecimiento de toda su galaxia anfitriona.
Debido a que los procesos alrededor de los agujeros negros supermasivos pueden reflejar los que ocurren alrededor de GX13+1, el equipo eligió este sistema de estrellas de neutrones como un objetivo cercano y brillante que podría revelar la física subyacente con gran detalle.
Una onda periódica en el límite de Eddington
Justo antes de la observación planificada, GX13+1 se iluminó inesperadamente y superó el límite de Eddington.
Este límite describe lo que sucede cuando la materia cae sobre un objeto compacto como un agujero negro o una estrella de neutrones. Más materia inflada libera más energía. 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 de regreso al espacio casi toda la materia que fluye, como el viento.
Resuelve GX13+1 grabado en esta dramática etapa.
“No podríamos haberlo determinado si lo hubiéramos intentado”, dijo el investigador principal del estudio, Chris Dunn, de la Universidad de Durham en el Reino Unido. “El sistema pasó de aproximadamente la mitad de su producción máxima de radiación a algo mucho más intenso, creando un viento que nunca antes habíamos visto”.
Una brisa lenta y densa desafía las expectativas
A pesar de la intensa explosión, la velocidad del viento fue de 1 millón de kilómetros por hora. Es más rápido en la Tierra, pero más lento que el viento cerca del límite de Eddington alrededor de los agujeros negros supermasivos, donde el flujo de salida puede ser del 20 al 30 por ciento de la velocidad de la luz, más de 200 millones de kilómetros por hora.
“Aún me sorprende lo ‘lento’ que es este aire”, dijo Chris, “y lo espeso que es. Es como mirar al sol a través de un banco de niebla. Cuando la niebla es espesa, todo se oscurece”.
Estrellas de neutrones versus vientos de agujeros negros
Éste no fue el único contraste. Observaciones anteriores XRISM de un agujero negro supermasivo en el límite de Eddington revelaron un viento aleatorio superrápido. En comparación, la salida del GX13+1 parece lenta y fluida.
“Los vientos eran completamente diferentes, pero provenían de sistemas que son casi idénticos en términos del límite de Eddington. Entonces, si estos vientos realmente son impulsados por la presión de la radiación, ¿por qué son diferentes?” preguntó Chris.
Aumento de la temperatura del disco como clave
El equipo sugiere que la respuesta está en la temperatura del disco de acreción alrededor del objeto central. Por el contrario, los discos alrededor de agujeros negros supermasivos tienden a ser más fríos que los sistemas de masa estelar con estrellas de neutrones o agujeros negros.
El disco que rodea el agujero negro supermasivo es muy grande. Pueden ser extremadamente brillantes, pero esa energía se distribuye en un área grande, por lo que la radiación normal que emiten está en el pico de los rayos ultravioleta. Los sistemas de masa estelar emiten rayos X con mayor intensidad.
Los rayos ultravioleta interactúan 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, creando vientos mucho más rápidos que se observan cerca de los agujeros negros supermasivos.
Qué significa esto para la evolución de las galaxias
Si esta explicación es válida, perfeccionará la forma en que los científicos piensan sobre el intercambio de energía y materia en ambientes extremos. Esto podría aclarar aún más cómo estos procesos afectan el crecimiento de las galaxias y la evolución más amplia del universo.
“La resolución sin precedentes de XRISM nos permite sondear estos objetos, y muchos más, con mucho mayor detalle, allanando el camino para los telescopios de rayos X de alta resolución de próxima generación, como el NeuAthena”, afirmó Camille Diaz, investigadora de la ESA.
La misión XRISM de un vistazo
XRISM (pronunciado krizz-em) se lanzó el 7 de septiembre de 2023. La misión está dirigida por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) en asociación con la NASA y la ESA. Vuela con dos instrumentos: Resolve, un calorímetro de rayos X que mide la energía de fotones de rayos X individuales con un nivel de resolución de energía sin precedentes (la capacidad de un instrumento para distinguir los “colores” de los rayos X), y Xtend, una cámara CCD de rayos X de campo amplio que toma imágenes del área circundante.
