'Magnetares', repetidoras de gamma suaves (SGRs)
y campos magnéticos muy fuertes
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Robert C. Duncan, Universidad de Texas en Austin -
duncan@astro.as.utexas.edu
ORIGINAL EN INGLÉS / ORIGINAL SITE (ENGLISH):
'MAGNETARS', SOFT GAMMA REPEATERS & VERY STRONG MAGNETIC FIELDS
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Los objetos llamados "Soft gamma repeaters" ("SGRs", en español "Repetidoras
de Gamma Suaves") son estrellas de rayos X que emiten fuertes y reiterados relámpagos de rayos gama suaves (de baja energía).
La naturaleza física de estas estrellas fue un misterio por muchos años.
En 1992 se propuso que las SGRs son estrellas de neutrones alimentadas magnéticamente, o magnetares.
Los estudios de observación posteriores apoyan esta hipótesis. Los astrónomos piensan
ahora que todas las emisiones que se detectan llegadas de las SGRs, y también desde una
clase de estrellas conocidas como púlsares anómalos de rayos X ("AXPs", por "anomalous
X-ray pulsars) son alimentadas por el decaimento del campo magnético.
Se explica aquí cómo se forman estas extrañas estrellas, físicamente extremas,
y por qué emiten sin cesar rayos X pulsantes, con esporádicos estallidos más fuertes.
Les contaré la historia de su descubrimiento y los esfuerzos teóricos que ayudaron a
revelar su bizarra naturaleza. |
NOTA: este sitio web fue escrito originalmente en mayo de 1998,
en respuesta a un pico de interés en las magnetares.
A principio del 2003 actualicé el sitio para responder preguntas que
me enviaron quienes leyeron una
historia
de tapa sobre las magnetares publicada por la revista Scientific American.
Realicé revisiones significativas y agregué nuevas secciones.
Sin embargo, no estoy cerca de cubrir todo el progreso reciente en este
área de la astrofísica, que se encuentra en rápido desarrollo.
Actualmente estoy escribiendo un libro que hablará mucho más sobre las
magnetares y explicará todo con más cuidado y profundidad.
- R.D., Marzo 2003
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* Secciones nuevas o expandidas, marzo 2003
Poderosos campos magnéticos
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Las observaciones de las SGRs aportan evidencia de que esas estrellas
tienen campos magnéticos extraordinariamente potentes. Una estimación
especialmente simple y confiable del magnetismo de las SGR, hecho por
primera vez en 1998 por C. Kouveliotou y sus colaboradores, aporta
evidencias de un campo de 8 x 1014 Gauss,
donde "Gauss" es una unidad que indica la fuerza del campo
magnético. (1 Gauss = 10-4 Tesla)
Se utiliza aquí notación científica, de modo que
1014 significa 10 elevado a la 14a potencia,
lo que es igual a 1 seguido de 14 ceros. Por lo tanto 8 x 1014
es un 8 seguido de 14 ceros, ó 800.000.000.000.000. |
| Para dar una perspectiva, he aquí una tabla de diversas fuerzas magnéticas
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| Campo magnético de la Tierra, que mueve la aguja de una brújula |
medido en el polo Norte magnético |
0,6 Gauss |
| Un imán común, de mano |
como los que se usan para sostener papeles en un refrigerador |
100 Gauss |
| Campo magnético de las manchas solares fuertes |
(dentro de las áreas oscuras y magnetizadas de la superficie solar) |
4.000 Gauss |
| El campo magnético más potente que se puede mantener fijo en un laboratorio |
generado por electroimanes enormes y masivos |
4,5 x 105 Gauss |
| El campo magnético más potente que se ha logrado, por un momento |
logrado al enfocar cargas explosivas, con una duración de 4 a 8 microsegundos |
10 x 107 Gauss |
| El campo más potente detectado en una estrella que no sea de neutrones |
encontrado en un puñado de estrellas enanas blancas compactas y fuertemente magnetizadas |
10 x 108 Gauss |
| Campo magnético polar de superficie típico de las púlsares de radio |
el tipo más familiar de estrella de neutrones; los astrónomos conocen más de mil |
1012-1013 Gauss |
| Magnetares |
Repetidoras de Gamma Suaves y púlsares anómalas de rayos X.
(El valor dado es el de superficie y polar; los campos del interior de la
magnetar pueden llegar hasta 1016 Gauss,
con las líneas de campo probablemente encerradas en una geometría toroidal —forma de
rosquilla o donut— dentro de la estrella.) |
1014-1015 Gauss |
Los físicos no ha podido crear campos estables más potentes que 4,5 x
105 Gauss en el laboratorio porque las tensiones
magnéticas de campos más poderosos superan la resistencia a la tensión de
los materiales terrestres. Si se intenta crear campos más potentes, las
fuerzas magnéticas destrozan el electroimán.
Utilizando poderosos explosivos para crear implosiones, es posible comprimir un
campo magnético y lograr mayores potencias de campo, al menos durante pequeñas
fracciones de segundo. Esto se hizo en el Laboratorio
de Los Alamos (Los Alamos Laboratory) en los Estados Unidos, y en un laboratorio
de armas nucleares en Sarov, Rusia, obteniendo campos de alrededor de
107 Gauss antes de que el equipo se destruyera.
Átomos en campos magnéticos muy potentes (nueva sub-sección, enero 2003)
El campo magnético más potente que uno puede encontrar personalmente
será de alrededor de 104 Gauss, si a uno le aplican un escaneo
de Imagen por Resonancia Magnética (Magnetic Resonance Imaging, MRI) para diagnóstico
médico. Un campo así no ofrece riesgos para la salud y es difícil que afecte a los átomos
de nuestro cuerpo.
Los campos de más de 109 Gauss, sin embargo, serán letales al
instante. Campos así distorsionan fuertemente a los átomos, comprimiendo a las nubes de
electrones atómicos en formas de cigarro, con el eje más largo alineado con el campo, lo
que vuelve imposible la química en la que se basa la vida.
Dentro de los 1.000 kilómetros alrededor de un magnetar uno morirá a causa del magnetismo
puro y estático, si no es que uno no ha sido alcanzado aún por rayos X, rayos gamma,
partículas de alta energía, gravedad extrema, estallidos y destellos...
Dentro de campos mucho más potentes que 109
Gauss, los átomos se comprimen en forma de delgadas agujas. A
1014 Gauss, los átomos aguja tienen grosores de
alrededor de el 1% de su longitud, centenares de veces más delgados que los
átomos no magnetizados. Esos átomos pueden formar fibras o cadenas de moléculas
parecidas a polímeros. Sobre la superficie de una magnetar probablemente existe
una alfombra de estas fibras magnetizadas, por lo menos en los lugares en los que
la superficie es lo suficientemente "fría" como para que se formen átomos.
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UN RECUADRO GRIS COMO ÉSTE INDICA QUE EL MATERIAL ES PARA LECTORES AVANZADOS
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Campos magnéticos ultra-potentes
En campos magnéticos que exceden la "fuerza de campo de la electrodinámica cuántica" ("quantum electrodynamic field
strength"), que es de BQ = 4,4 x 1013 Gauss, ocurren varios efectos físicos fascinantes.
(Esta fuerza de campo es la dada por una combinación de constantes fundamentales:
BQ =
me2
c3 / h e,
donde me
es la masa del electrón, c es la velocidad de la luz,
h es la constante de Planck dividida por
2 π, y e es la carga de un electrón.)
En campos más potentes que BQ, los electrones giran alrededor
de las líneas del campo magnético a cerca de la velocidad de la luz, aún en sus estados
de energía más bajos. En consecuencia, el vacío ultra-magnetizado
—que, de acuerdo con la mecánica cuántica, es un hervidero de pares virtuales
electrón-positrón y otras partículas— se vuelve birrefringente,
como un cristal de calcita, capaz de distorsionar y ampliar
imágenes ("lente magnética"). Los fotones de los rayos X que viajan a través de estos
potentes campos se dividen en dos o se vuelven a juntar con facilidad, y varios otros
efectos físicos novedosos entran en juego. Debido a que BQ
está entre las fuerzas de campo observadas en las magnetares y las púlsares
de radio ordinarias, esta nueva física sólo es importante en las magnetares, lo que
hace que la teoría de las magnetares sea especialmente rica e interesante.
Los efectos como la división magnética del fotón no se pueden medir en laboratorios
terrestres, pero pueden ser detectados en emisiones llegadas desde esos laboratorios
cósmicos únicos. Para más información, vea mi artículo de revisión Physics in Ultra-strong
Magnetic Fields.
Aunque los campos de las magnetares son fuertes en la mayoría
de las escalas, son débiles comparados con el campo más fuerte posible que podría existir
teóricamente en la naturaleza, que es de 1049
- 1053 Gauss. Un campo más potente que éste podría romper,
literalmente, el vacío y desintegrarse, por vía del proceso de la creación de un
monopolo magnético de la mecánica cuántica. Sin embargo, no hay forma de que se puedan
generar campos así de fuertes. Las magnetares son los objectos más fuertemente
magnetizados que se conocen hasta ahora en el Universo.
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El descubrimiento de las Repetidoras de Gamma Suaves (SGRs)
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A fines de los 60, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos
lanzó los satélites "Vela" para buscar rayos gamma en el espacio y así verificar un tratado
que prohibía las pruebas de artefactos nucleares en el espacio. Sorprendiendo a todos,
se detectaron varios estallidos breves de rayos gamma. Parecían llegar de manera azarosa
de todas las direcciones del espacio. Así se descubrió un nuevo fenómeno natural,
los "estallidos de rayos gamma" ("gamma-ray bursts", GRBs), y se lo anunció a los
astrónomos en 1973.
Los rayos gamma están formados por fotones de energía muy elevada,
con más energía que los fotones de rayos X, los que a su vez tienen mayor energía que
los fotones de ultravioletas, ópticos, infrarrojos, microondas y de radiofrecuencia
(listados en orden decreciente de energía, o de creciente "blandura espectral").
Sólo se pueden estudiar rayos gamma en el espacio exterior, ya que son
absorbidos por la atmósfera de la Tierra al ionizar sus átomos. (Esto quiere decir que
ellos sacan de un golpe los electrones de los átomos del aire, volviéndolos iones con
carga positiva.)
Afortunadamente, los detectores de rayos gamma son relativamente baratos, compactos y
fáciles de poner en una nave espacial, de modo que se los agregó a varias misiones
espaciales durante los 70 para obtener datos sobre los GRBs. En 1979, ya había
por lo menos una docena de detectores de rayos gamma en los satélites terrestres y en
sondas espaciales esparcidas por el Sistema Solar.
1979 fue un año fantástico para el estudio de las Repetidoras de Gamma
Suaves (SGRs), aunque nadie lo notó en ese momento. El primer estallido SGR que se detectó,
llegado de una fuente en la constelación de Sagitario, fue el 7 de enero de 1979.
Dos meses después, el 5 de marzo de 1979, llegó un estallido verdaderamente poderoso de
SGR, que fue de lejos la ráfaga más intensa de rayos gammas que se había detectado hasta
el momento fuera de nuestro Sistema Solar (hasta que otro estallido de SGR rompió el
récord en 1998). Este enorme fulgor permitió eventualmente que se develara el misterio
de las SGR. Sólo nueve días después entró en actividad una tercera SGR en una nueva
parte de la galaxia, produciendo tres estallidos en un período de tres días. Es decir que
durante los primeros tres meses de 1979 se descubrieron tres de las cinco SGRs conocidas.
Durante años los astrónomos no distinguieron entre los estallidos de
SGR y los estallidos de rayos gamma "ordinarios" o "clásicos" (GRBs), observados con
mucha mayor frecuencia. (En 1990, con detectores modernos, se detectó alrededor de un
GRB por día desde algún lugar del firmamento. Se han visto muchos menos estallidos de
SGR, quizás 10 a 50 por año, aunque llegan en grupos.) Hasta 1987 las SGRs no fueron
reconocidas claramente como un conjunto separado de objetos. El nombre "repetidoras
de gamma suaves" se enfoca en las propiedades que distinguen los estallidos SGR de los GRBs.
A diferencia de los GRBs, que jamás se ha verificado que lleguen más de una vez desde
un mismo punto en el firmamento, los estallidos SGR se repiten esporádicamente desde el
mismo origen. Los rayos gamma de los estallidos SGR son, además, "suaves espectralmente"
si se los compara con los que vienen en los GRBs. Esto significa que el promedio de
energía por cada fotón del rayo gamma es menor. De hecho, la mayoría de los fotones de
SGR en realidad son fotones de alta energía de rayos X "duros" en lugar de rayos gamma
verdaderos. Un nombre que los describiría mejor sería "destelladores de rayos X duros",
pero se nos ha pegado "repetidoras de gamma suaves" debido a cómo se ha distinguido
históricamente a estos objetos de las fuentes de GRB. |
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La palabra "suaves" en el nombre "repetidoras de gamma suaves" no debe
interpretarse como "tenues". La luminosidad o brillo, la energía radiada por segundo,
está relacionada con la cantidad de fotones que se emiten más que con
la energía de cada protón; y la cantidad de fotones que llegan desde un estallido
SGR es enorme. El término "suave" significa que la energía por fotón es menor
que la que existe en los GRBs. Observe que las SGRs son "suaves" espectralmente sólo
si se las compara con los GRBs; pero ellas son más potentes que todos los otros
fenómenos astronómicos conocidos.
Los estallidos SGR normales pueden irradiar en un segundo tanta
energía como la que emite el Sol en todo un año. (Al decir "normales" quiero decir
excluyendo los destellos gigantes del 5 de marzo de 1979 y del 27 de agosto de 1998,
que fueron más de 1.000 veces más brillantes.) Los estallidos SGR duran sólo una
pequeña fracción de segundo, aunque algunos pueden extenderse varios segundos.
Todas las SGRs identificadas están dentro de nuestra galaxia (4 de ellas) o en un
racimo de estrellas ubicadas apenas fuera de ella (1 de ellas).
[Nuestra galaxia, la Vía Láctea, es un enorme y achatado conglomerado
de estrellas, con forma más o menos de disco de alrededor de 100.000 años luz de
diámetro y de unos 1.000 años luz de espesor. Un año luz es la distancia que viaja la
luz en un año: alrededor de 9,46 millones de millones de kilómetros. Si se la observa
desde afuera, la Vía Láctea parece una rueda de fuegos artificiales
hecha de alrededor de 100.000 millones de estrellas (1011).
El Sol y la Tierra están ubicados alrededor de un 3/4 del recorrido desde el centro
hacia fuera.]
Aunque sólo se han detectado cinco SGRs, ciertamente deben de existir
al menos varios millones en nuestra galaxia, y una cantidad similar en cada una de las
otras. Pero las SGRs cesan de emitir sus brilantes destellos en sólo unos 10.000 años
—un breve instante de tiempo cósmico— de modo que sólo se detectan las pocas
que son más recientes.
Es interesante comparar las SGRs con los otros orígenes de estallidos
en la galaxia. Los astrónomos han identificado muchos de esos objetos y les han puesto
nombres tales como "Destelladores de rayos X Tipo I y Tipo II, Transitorios de rayos X de
agujero negro, Variables cataclísmicas y Novas". Esas fuentes de estallidos son estrellas
compactas (enanas blacas, estrellas de neutrones o agujeros negros) en las que está
cayendo material de una estrella compañera que las orbita, en un sistema de doble estrella.
Todos esos orígenes de estallidos que se repiten son más débiles que los intensos
estallidos SGR normales en un factor de ~10.000 a 1 o más, excepto en el caso de
los transitorios de rayos X de los agujeros negros, que sólo son 1.000 veces más débiles.
Sin embargo, los estallidos que llegan de esas otras fuentes duran mucho más que los
estallidos SGR, de modo que el total de energía en un estallido puede ser comparable.
(Debido a su brevedad, un buen nombre para las SGRs hubiera sido "relampagueantes".)
En resumen, las SGRs son, lejos, las emisoras de estallidos repetitivos
más brillantes. Las supernovas y los GRBs son mucho más brillantes aún, pero son eventos
que ocurren una sola vez, destruyendo la estrella que lanza el estallido. Las supernovas
y los GRBs son raros, ya que ocurren en nuestra galaxia sólo una vez cada cientos de años
(supernovas) o quizás una vez cada un millón de años (GRBs). Esto significa que la mayor
parte de las supernovas y GRBs que se detectan vienen de galaxias distantes.
Esto nos lleva a un evento que cambió la historia de las SGRs: un
estallido que fue, por un corto lapso, más brillante que una supernova.
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5 de marzo de 1979...
A las 10:51 de la mañana del Tiempo Estándar del Este
de los Estados Unidos (nota del traductor: en Argentina son dos horas más, o sea a las 12:51 del
mediodía), lejos en el espacio, dos sondas espaciales soviéticas, la
Venera 11 y la Venera 12, estaban deslizándose a través del Sistema Solar
interior cuando fueron sacudidas por un flujo sin precedentes de rayos gamma.
Los detectores de rayos gamma a bordo saltaron de valores de 100 a 40.000
y luego se salieron de escala en una fracción de milisegundo; primero en la
Venera 11, luego, 5 segundos después, en la Venera 12. Los detectores no habían
sido diseñados para semejante flujo de energía y se saturaron, perdiendo la
cuenta de los rayos gamma que pasaron a través de ellos. Once segundos después,
más rayos gamma dieron contra una sonda espacial norteamericana, la Helios 2,
en órbita alrededor del Sol, también sacando sus detectores fuera de escala.
Evidentemente, un frente de onda plano de rayos gamma estaba
cruzando el Sistema Solar a la velocidad de la luz. Pronto alzanzó Venus, donde hizo
que los detectores de rayos gamma del orbitador Pioneer de Venus también subieran
hasta el tope. Entonces, siete segundos después, llegó a la Tierra. Nadie se dio cuenta
de lo que pasaba: la vida siguió calma debajo de la protección de la atmósfera.
En la costa este de los Estados Unidos era una mañana de lunes lluviosa, aburrida y
fría; y fría y clara en el resto de ese país. Las noticias de primera plana de los diarios
de los EEUU hablaban de los intentos del presidente Carter para avanzar con el tratado
de paz Israelí-Egipcio. (Yo estaba a 6.000 kilómetros, cruzando el Atlántico, pues
era entonces un joven estudiante en la Universidad de Cambridge.)
Mientras tanto, en órbita terrestre, tres satélites Vela y un satélite
soviético de nombre Prognoz 7 se vieron sumergidos en una repentina marea de rayos
gamma. El observatorio Einstein de rayos X, un telescopio orbital, también mostró una
fuerte señal. Los rayos gammas entraban copiosamente a través de los protectores metálicos
de radiación que rodeaban los detectores.
Mientras el frente de onda terminaba de pasar por el Sistema Solar,
golpeó una sonda espacial más: el International Sun-Earth Explorer (ISEE, explorador
internacional Sol-Tierra) en órbita alrededor del punto de gravitacón nula o
de Lagrange del sistema Sol-Tierra. (Algunos años más adelante esa sonda salió del
punto lagrangiano y fue enviada a la deriva a través de Sistema Solar en un esfuerzo
por estudiar los cometas, y entonces fue renombrada International Cometary Explorer
explorador cometario internacional o ICE.)
El detector de rayos gamma del ISEE estaba apuntado lejos del punto de llegada de los rayos
gamma, pero éstos pasaron a través del sólido cuerpo de la nave espacial, se dispersaron
y fueron absorbidos parcialmente, y aún así pudieron disparar el detector hasta su máximo.
Dieciséis años después un equipo de científicos de Los Alamos hizo elaboradas simulaciones
de computadora de los rayos gamma pasando a través de la nave espacial ISEE en un intento
por lograr más información sobre este intenso estallido.
Curva de luz del suceso del 5 de mayo,
tal como fue registrado por los detectores de rayos gamma
a bordo de la sonda espacial
Venera 12. (De E.P. Mazets et al., 1979, Nature 282, p. 587.)
Todos los detectores mostraron que el estallido comenzó con un
"pulso duro" de rayos gamma de una duración de 0,2 segundos. Este pulso fue unas 100
veces más intenso que cualquier otro destello de rayos gamma cósmicos que se hubiese
detectado hasta ese momento. Diecinueve años después, sigue teniendo la posición de
récord en un factor de más menos 10. El pulso duro saturó los detectores. A eso siguió
una "cola blanda" mucho más débil de rayos gamma suaves (o rayos X duros), que duró más
de 3 minutos e iba disminuyendo. Mientras disminuía, esta cola variaba además en
intensidad de una forma similar a una senoide, pero con dos picos por ciclo, y con un
período de 8,9 segundos. Las modulaciones de 8 segundos fueron observadas claramente
por varios sensores diferentes durante más de 20 ciclos. Los astrónomos no habían visto
nunca algo parecido a esta cola y no lo volvieron a ver durante 19 años.
Catorce horas y meda después, a la 1:17 de la madrugada del 6 de
marzo, llegó otro estallido desde el mismo punto del firmamento, más suave, que sólo
duró 1,5 segundos. Se puede ver, en retrospectiva, que ése fue un estallido normal de
SGR en todas sus propiedades. Entonces, un mes después, el 4 de abril, y de nuevo el
24 de abril, se observaron estallidos de tipo SGR desde ese origen, cada uno de
una duración de alrededor de 0,2 segundos. Durante los cuatro años siguientes se
observaron 16 estallidos de tipo SGR desde ese origen. En mayo de 1983, la emisión
de estallidos cesó. Desde entonces no se han detectado estallidos llegados desde esa
fuente.
Varias personas sugirieron que los estallidos similares a SGR fueron
un efecto residual del gran suceso del 5 de marzo, quizás una señal de que el generador
de los estallidos se estaba "acomodando" en su estado post estallido. Los astrofísicos
rusos observaron que la cola del suceso del 5 de marzo —la distibución de energías
de los fotones duros de rayos X detectados— fue casi idéntica al espectro de los
estallidos similares a SGR que siguieron. De modo que la cola podría considerarse un suceso
SGR de "duración súper larga", aunque el pulso duro inicial del 5 de marzo de 1979 fue
único. |
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Se localiza el origen de los estallidos
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En los meses y años posteriores al 5 de marzo de 1979, los
científicos analizaron los datos provenientes de distintas naves espaciales.
Todos los detectores tienen un reloj que marca el tiempo en que llegan por primera vez
los rayos gamma, en un rango de milisegundos. Comparando esas marcas de tiempo en
diferentes sitios del Sistema Solar, los astrónomos pudieron decir en qué ángulo
pasó por el Sistema Solar el frente de onda plano de rayos gamma. Esto les dijo, a su
vez, de qué lugar del firmamento llegó el estallido. Llevó más de un año
determinarlo con precisión. El resultado fue una gran sorpresa.
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Mapa de rayos X del resto de supernova N49 en la Gran Nube de Magallanes.
Esta imagen en falso color (con colores diferentes para indicar las
distintas intensidades de rayos X) fue realizado utilizando datos del
telescopio ROSAT de rayos X. El rectángulo blanco largo y delgado en el centro y
arriba muestra la posición del emisor de estallidos del 5 de marzo de 1979, como se ha
inferido de los tiempos de arribo del pulso duro a las 7 naves espaciales. El punto de
origen de rayos X cercano al centro del rectángulo es la SGR (que ahora se piensa que es
una estrella de rayos X alimentada magnéticamente). Los otros rayos X vienen del gas
calentado por la explosión de supernova. Para ver una imagen óptica del mismo resto de
supernova, ingrese a esta foto del telescopio espacial
Hubble.
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La fuente resultó estar dentro de una pequeña área
del firmamento donde se extienden los "restos de una supernova": la brillante nube
de gas ardiente que queda después de una explosión estelar masiva. Sin embargo,
este resto particular de supernova (SNR), con número de catálogo N49, no está en
nuestra galaxia, la Vía Láctea. En cambio, SNR N49 está en una "galaxia enana
satélite" de la Vía Láctea llamada Gran Nube Magallánica (LMC). LMC es un grupo
irregular de estrellas que es bien visible en el cielo del Hemisferio Sur.
Es uno de los conjuntos de estrellas más cercanos a nuestra galaxia, ubicado a
180.000 años luz de la Tierra. A LMC se le llama "galaxia enana satélite" porque
es una galaxia pequeña que orbita a la Vía Láctea.
Las supernovas son comunes en LMC; de hecho, se ha observado allí
el estallido de una en febrero de 1987: la "Supernova 1987A."
¿Podría haber estado la fuente del estallido del 5 de marzo
mucho más cerca de nosotros que la Gran Nube Magallánica? Casi seguro que no.
Una cosa así requerría que el suceso estuviese en una posición que se superponga
con la pequeña SNR en la LMC, lo que sería una coincidencia tremendamente improbable.
Así que hay pocas dudas de que la fuente fue realmente en la Gran Nube Magallánica,
a 180.000 años luz de distancia, ó 1,7 x 1018 kilómetros.
Esto fue impactante. Todos esperaban que el origen estuviera en el
vecindario galáctico cercano a nosotros, como mucho a unos pocos centenares de años luz
de distancia.
Esto quiere deccir que el estallido ocurrió, en realidad, a una
distancia de 180.000 años luz, bien antes del nacimiento de nuestra Historia, ya que
los rayos gamma debieron viajar todo ese tiempo para llegar hasta nosotros. El "frente
de onda plano" que pasó a través del Sistema Solar fue, en realidad, una parte de una
esfera de radiación en expansión de 180.000 años luz de radio; sólo parece ser
plano debido a que el radio de las esfera es enorme comparado con el tamaño del
Sistema Solar.
El hecho de que la fuente está tan lejos significa que el estallido
fue enormemente brillante, intrínsecamente. En el pico del estallido su brillo fue 10
veces mayor que todas las estrellas de nuestra galaxia puestas juntas, o más menos
10 veces más brillante que una explosión de supernova en su pico de brillo fotónico.
(Observe que las estrellas galácticas y las supernovas radian mayormente en el rango
óptico y de fotones de ultravioleta, mientras que la fuente del estallido del 5 de marzo
irradió mayormente rayos gamma; de todos modos el gasto de energía es comparable.)
En las dos primeras décimas de segundo, el generador del estallido
irradió tanta energía como la que irradia el Sol en 3.000 años.
Hubo un dato aún más impresionante... La posición del origen del
estallido, determinada con precisión a partir de los datos de 7 naves espaciales,
no caía en el centro de la SNR esférica, sino desplazada significativamente
hacia un borde. (Vea la figura arriba.) Este desplazamiento fue verificado en 1991
cuando se encontró un débil y estable punto emisor de rayos X en la
posición del generador del estallido, lo que permitió que se determinara
su posición precisamente. (Esos rayos X son emitidos por el origen de los estallidos,
evidentemente. Los astrónomos lo llaman una "fuente puntual" porque su tamaño y forma
no se han medido: es tan pequeño que es indistinguible de un punto con los telescopios
de rayos X actuales.) |
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Teorías sobre el estallido del 5 de marzo
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¿Qué causó el suceso del 5 de marzo? Asumiendo que la fuente del estallido del
5 de marzo se formó en la supernova que dio lugar a SNR N49, como parece probable,
entonces podemos inferir que... |
| La fuente de estallidos del 5 de marzo tiene las siguientes propiedades
|
| Lo más probable es que la fuente de estallidos sea una
estrella de neutrones, ya que se sabe que las estrellas de neutrones se forman en el
interior de las supernovas (por ejemplo la púlsar del Cangrejo que está dentro de la
SNR Cangrejo). |
Una estrella de neutrones es una esfera ultradensa
de neutrones, como un núcleo atómico gigante que flota y gira en el espacio.
Tiene alrededor de 10 kilómetros de diámetro, con una masa comparable a la del Sol.
Esta estrella se forma cuando una estrella común masiva termina su combustible nuclear.
El núcleo de la estrella colapsa hacia dentro bajo su propia gravedad, convirtiéndose en
una estrella de neutrones, mientras que el resto de la estrella es lanzado hacia fuera
como supernova. |
| La fuente de estallidos es joven, hablando en
escala astronómica: 10.000 años. |
Los astrónomos pueden estimar la edad de una SNR,
es decir, cuánto hace que ocurrió la supernova. Esto se hace midiendo propiedades de
la SNR, como su tamaño y ritmo de expansión. La SNR que contiene la fuente de
estallidos del 5 de marzo tenía más o menos 5.000 años cuando ocurrió el estallido. |
| La fuente de estallidos nació moviéndose a una gran velocidad. |
Asumiendo que la fuente de estallidos se formó
en el centro de la explosión de supernova explosion, lo que parece probable,
debe haber adquirido un impulso de retroceso o velocidad del retroceso de cerca de
1.000 kilómetros por segundo, para sacarla del centro en los más o menos 5.000 años
que pasaron antes de que ocurriera el estallido. Esto es bastante rápido para una
estrella de neutrones, pero no es irracional. |
| Es probable que sea una estrella de neutrones
"aislada", es decir, no está en un sistema estelar binario. |
Es evidente que la estrella de neutrones adquirió
una elevada velocidad al formarse. Esto significa que es probable que no estuviera
unida (por la gravedad) a una órbita alrededor de otra estrella.
Si hubiese estado limitada cuando se formó la supernova, su alta velocidad la
habría roto. |
| La modulación de 8 segundos parece indicar que la
estrella está rotando sobre sí misma, dando una vuelta cada 8,0 segundos. |
Esto es muy lento en una estrella de neutrones joven y
aislada. Por ejemplo, la púlsar del Cangrejo, una estrella de neutrones muy bien conocida
en una SNR reciente, rota cada 33 milisegundos, ó 30 veces por segundo. (Cuando las
estrellas de neutrones colapsan a partir del núcleo estelar, se comprimen repentinamente
en un factor de 300 a 1, y giran más rápido sobre sí mismas por la misma razón que un
patinador sobre hielo gira más rápido cuando baja sus brazos.) |
| La fuente puntual de rayos X indica que la estrella de
neutrones está emitiendo energía constantemente, a partir de una fuente de energía
(desconocida). |
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Nadie entendía por qué una estrella de neutrones podía tener
este extraño conjunto de propiedades, o qué podía causar que emitiera estallidos tan
espectaculares.
El los años 80 se propusieron varias teorías, sugiriendo, por ejemplo,
que el suceso del 5 de marzo se había debido a que un pequeño planeta o un gran asteroide
se había estrellado contra una estrella de neutrones, o que se había producido una
"transición de fase" en el núcleo de una estrella de neutrones (es decir, que el núcleo
de la estrella de neutrones cambió de alguna manera su estado al enfriarse, como el agua
cuando se congela, liberando energía en el proceso), o propuestas aún más especulativas
que involucraban unos nuevos objetos hipotéticos, tales como un "pequeño guijarro de quarks
cayendo en una estrella de quark extraños". La mayoría de estas ideas sólo cubrían un
subconjunto limitado de los datos conocidos. Casi ninguna de ellas atrajo muchos
creyentes o fueron tema de más de un artículo de investigación.
Para los teóricos, era particularmente difícil explicar el enorme
brillo de rayos gamma del pulso duro inicial del suceso del 5 de marzo. Si se intenta
decir que se alimentó con un material que caía dentro de la estrella de neutrones (como un
planeta o un asteroide), entonces la presión asociada con el mismo flujo de rayos gamma
detendría la caída, y terminaría con la fuente de energía. Pero si se intenta creer que
se alimentó de una fuente profunda dentro de la estrella de neutrones, como una
transición de fase, es difícil creer que toda la energía pudiese salir con rapidez
y en cantidad suficiente en forma de rayos gamma.
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En los años 90, el misterio de las SGR estimuló a varios astrónomos
a apuntar todo tipo de telescopios hacia estos objetos. En 1991 se descubrió la fuente
puntual de rayos X ubicada en el sitio de la fuente del estallido del 5 de marzo. Luego,
en 1993 y 1994, se determinaron las ubicaciones de dos SGRs más.
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SGR
1806-20 |
Este fue el primer suceso SGR al que se observó producir el estallido, en enero de 1979.
Estuvo muy activo a mitad de los años 80, emitiendo más de 100 estallidos detectados.
Desde 1990 ha estado activo esporádicamente. Los números "1806-20" se refieren a sus
coordinadas en el firmamento: 18 horas, 06 minutos ascensión derecha, -20 grados de
declinación. Su ubicación en el cielo es cercana a la posición del centro galáctico,
en la constelación de Sagitario. El centro de la galaxia está a 25.000 años luz de
distancia de nosotros, pero algunos investigadores han argumentado que SGR 1806-20
está ubicada mucho más atrás. Su distancia real es incierta.
En 1993, un equipo formado de astrónomos (principalmente) japoneses y
dirigido por Toshio Murakhami detectó SGR 1806-20 utilizando el telescopio orbital de
rayos X ASCA.
Demostraron que SGR 1806-20 es una brillante estrella de rayos X, en estado de quietud
(es decir, entre episodios de estallido).
En 1998, Chryssa Kouveliotou et al. demostó que el brillo de esta estrella de rayos X
pulsa a un ritmmo que se va enlenteciendo gradualmente, lo que aporta una fuerte
corroboración al modelo de magnetar. Este fue el primero de varios desarrollos importantes
durante 1998, el "Año de las Magnetares", del que hablaremos más adelante.
(Recomiendo que usted lea las secciones en orden, pero
pongo aquí un salto hacia delante a 1998 para los obsesivos del hipertexto.)
La región del cielo que rodea a SGR 1806-20 está repleta de actividad
de formación y muerte galáctica de estrellas, de modo que aún no está claro si existe un
resto reciente de supernova asociado con SGR 1806-20.
¿Una estrella compañera de SGR 1806-20?
(Voy a explicar ahora cómo se confundieron los astrónomos con las
propiedades de SGR 1806-20 a mitad de los años 90. No es importante científicamente,
pero será interesante para los lectores avanzados.)
Poco después de que Murakhami y otros hallaran que SGR 1806-20 era una
estrella de rayos X, los radiotelescopios detectaron una mancha de gas con brillo de
radio que parecía rodearla. Esto llevó a los astrónomos a suponer que la SGR estaba
lanzando un viento de partículas cargadas, como una púlsar de radio.
(Nota: se habla de los vientos de las púlsares de radio en la próxima sección.)
Los telescopios ópticos/infrarrojos descubrieron luego una estrella "bola de gas"
alimentada por energía nuclear, muy masiva, brillante, caliente y joven ubicada en
el centro preciso de las emisiones de radio. Por eso en la mitad de los 90 la mayoría
de los astrónomos creyeron que SGR 1806-20 estaba en un sistema binario junto a esta
estrella más ordinaria.
En 1999, Kevin Hurley de Berkeley y sus colaboradores utilizaron una
Red Interplanetaria (IPN) de detectores de rayos gamma para definir la ubicación
de SGR 1806-20 con una precicisión muy elevada. Descubrieron que la SGR estaba desplazada
0,004 grados (14 segundos de arco) del centro de la fuente de radio y la masiva estrella
de energía nuclear. Este desplazamiento fue confirmado en el 2001 por el telescopio
orbital Chandra de rayos X.
Ahora sabemos que SGR 1806-20, como otras SGRs, es una brillante estrella de rayos X,
pero no está emitiendo un viento estable de partículas cargadas que emiten radio
(por lo menos no en niveles detectables) ni forma un sistema binario con ninguna estrella
conocida.
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SGR
1900+14 |
Esta estrella de la constelación del Águila ("Aquila the Eagle", en
inglés), emitió 3 estallidos que fueron detectados en dos días a mediados de marzo de
1979. Luego se ha mantenido en quietud por cerca de dos décadas, excepto tres estallidos
más que se observaron en 1992.
La ubicación de SGR 1900+14 se encontró en 1994 y se definió con
gran precisión en 1998. Como otras SGRs, es una fuente puntual de rayos X continuos,
pero está ubicada justo fuera del borde de una SNR reciente (con una edad de
alrededor de 10.000 años) en nuestra galaxia. Si la SGR se formó en la supernova que
dejó este resto, entonces debe haber adquirido tanta velocidad en su nacimiento que
alcanzó y sobrepasó la cáscara de ardiente gas en expansión del resto.
Esto es posible porque la SNR en expansión se va frenando al chocar con el difuso
gas del que está llena nuestra galaxia. La velocidad estelar de impulso o retroceso
es de alrededor de 1.500 a 2.000 km/s.
(Entre paréntesis, Kevin Hurley y sus colaboradores pronto determinarán
si SGR 1900+14 nació o no realmente en esta SNR. En 2001, Hurley utilizó el telescopio
Chandra de rayos X para medir con exactitud la localización de la estrella
de rayos X. Pronto la volverán a medir. El Chandra, con su magnífica resolución
espacial, debería ser capaz de determinar si la SGR se ha movido o no, verificando o
desmintiendo que se mueve a alta velocidad.)
En el verano del 1998, después de décadas de una quietud casi
completa, el infierno entero se liberó en la SGR 1900+14. Emitió entonces una gigantesca
llamarada, muy parecida a la del suceso de marzo de 1979, como veremos luego...
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SGR
1801-23 |
Esta fuente fue descubierta recién en 1997, cuando emitió 2
estallidos que se detectaron desde observatorios espaciales. Su posición aún no fue determinada
con exactitud para ver si está asociada con una fuente puntual de rayos X, o SNR.
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SGR
1627-41 |
Esta quinta SGR conocida fue descubierta por astrónomos de la NASA
el 15 de junio de 1998. Emitió alrededor de 100 estallidos entre junio y julio de 1998,
que fueron detectados por 4 observatorios de rayos X y gamma en el espacio. La posición
de la nueva fuente de estallidos coincide con un resto de supernova cercano al plano
galáctico. El período de rotación de esta SGR no se conoce con certeza, aunque hay algunas
evidencias (ambiguas) de que sería de alrededor de 6,4 segundos.
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En los años 90, mientras cantidad de astrónomos trabajaban para lograr
estos avances en la observación, se desarrollaba la teoría "magnetar" de las SGRs. Esta
teoría todavía se está comprobando y discutiendo. Al producirse más observaciones podría
ser descartada. Sin embargo, hasta ahora parece estar favorecida por una amplia variedad
de evidencias.
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Campos magnéticos de las estrellas de neutrones
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La teoría "magnetar" de las SGRs surge de un intento de comprender
un tema completamente distinto: el origen de los campos magnéticos en las púlsares de
radio.
Las púlsares de radio son las estrellas de neutrones más comunes:
se han detectado más de 1000 desde que se las descubrió en 1968. Ellas emiten haces
de ondas de radio que barren el espacio al rotar la estrella, como los haces de un faro,
por eso al ser vistas desde la distancia las púlsares parecen ser intermitentes o pulsar
con el ritmo de sus períodos de rotación. Cuidadosas mediciones han demostrado que
los períodos de las púlsares se alargan con el tiempo, lo que implica que las estrellas
van enlenteciendo gradualmente su giro. Se atribuye esto a sus campos magnéticos.
Las líneas de campo están ancladas a la superficie de la estrella de neutrones, debido
a que son generadas por corrientes de electrones que circulan en su interior. Por esta
razón, cuando la estrella gira el campo también debe hacerlo. Esto genera ondas
magnéticas que se propagan junto con vientos difusos de partículas cargadas (emitidas
por los haces de radio desde arriba de los polos magnéticos), lo que se lleva energía
y causa que la estrella se vaya frenando gradualmente. El ritmo de frenado que se mide
permite estimar el campo magnético. Para la mayoría de las púlsares de alrededor
de 1012 Gauss en los polos magnéticos.
En 1986 Christopher Thompson (originalmente en Winnipeg, Canada;
ahora en el Canadian Institute for
Theoretical Astrophysics en Toronto) y yo comenzamos a estudiar una cuestión
sobre la cual la mayoría de los astrofísicos ha especulado, que es: ¿por qué
los campos magnéticos de las púlsares son de alrededor de 1012
Gauss? En ese momento ambos nos encontrábamos en la Universidad Princeton: Chris era
un graduado y yo un asociado posdoctoral. Estábamos cautivados por unas simulaciones
en computadora que habían mostrado que en una estrella de neutrones, un instante antes
de que se forme, todo resulta mezclado. Especulábamos sobre cómo afectaría esto a sus
campos magnéticos.
Las estrellas de neutrones recién formadas son muy calientes. Los
modelos de computadora, realizados por Adam Burrows de la Universidad de Arizona y
James Lattimer de la Universidad Estatal de New York en Stony Brook, mostraban que el
fluido denso de neutrones dentro de una estrella de neutrones en nacimiento fluyen
girando y revolviéndose, ayudando a transportar el calor, más o menos como el agua que
hierve. Esa circulación se llama "convección". Se produce debido a que las porciones
calientes de fluido suben, mientras que las más frías se hunden. (En un fluido nuclear
caliente, la densidad de los electrones también afecta la flotabilidad del fluido y
ayuda a impulsar la mezcla.)
Encontramos que el fluido de la estrella de neutrones, caliente y
ultradenso, conduce muy bien la electricidad, debido a que contiene algunos electrones
y protones libres junto a los más abundantes neutrones. Esas partículas cargadas llevan
corrientes con facilidad. Esto significa que cualquier línea de campo magnético que esté
contenida en el fluido es arrastrada por los movimientos de convección; no pueden
"ignorar" el fluido en movimiento porque éste es un conductor eléctrico.
Si la estrella nace girando lo suficientemente rápido, los efectos
combinados de rotación y convección, que arrastran líneas de campo a través de la
estrella, pueden formar el campo magnético total de la estrella por medio de un
complicado proceso llamado "acción de dínamo". Las dínamos que operan en el interior
de la Tierra y el Sol son los que les aportan sus campos magnéticos.
Nos sorprendió encontrar que, si una dínamo funciona con eficacia ideal
en una caliente y recién nacida estrella de neutrones, generaría un campo de alrededor
de 1016 gauss: ¡10.000 veces más fuerte el que se ha encontrado
realmente en las púlsares! Cuando la estrella se enfría, la convección y la acción de
dínamo cesan. En una estrella de neutrones, esto ocurre después de apenas 10 a 20
segundos, pero 10 segundos es tiempo son suficiente como para formar un campo magnético
muy potente. Luego de eso, el campo puede permanecer atrapado por el espeso y
estratificado líquido de neutrones del interior de la estrella de neutrones.
Esto nos llevó a la conclusión de que las familiares púlsares de
radio eran estrellas de neutrones en las que esencialmente había fallado la
operación de una dínamo de gran escala, probablemente a causa de que no habían nacido
rotando a suficiente velocidad. El período de rotación de la púlsar del Cangrejo en
su nacimiento era de alrededor de 20 milisegundos; hemos encontrado que debe ser
considerablemente menor para que el efecto dínamo funcione.
La cuestión de por qué el campo de una púlsar era de 1012
Gauss pasó entonces a involucrar algunos sutiles detalles de los residuos del magnetismo
que queda después de que falla el efecto dínamo a gran escala. Logramos algún progreso
estimando esto, pero esto no nos ayudaba a contestar la pregunta ¿qué pasa si la
dínamo se forma con éxito?
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¿Un nuevo tipo de estrella?
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Estimamos que en los polos de una estrella de neutrones joven con la
dínamo activa el campo magnético puede alcanzar en la realidad 1014
- 1015 Gauss; 100 a 1000 veces más potente que en una púlsar
ordinaria. ¿Como se vería una estrella de neutrones fuertemente magnetizada, o 'magnetar'?
Aunque nace girando más rápidamente que una púlsar, la magnetar
se frena mucho más rápidamente porque las ondas magnéticas (y los difusos vientos
asociados de partículas cargadas) que frenan la energía rotatoria de la estrella son
muy eficientes cuando el campo es fuerte. Esto significa que las magnetares raramente
envían haces rotatorios de radio similares a los de un "faro" como lo hacen las púlsares
de radio. Salvo durante un intervalo efímero enseguida de formarse, una magnetar gira
tan lentamente que sus haces alimentados por el giro son muy estrechos o no existen.
(Recordemos que los haces de radio de una púlsar ordinaria provienen de la emisión
de partículas cargadas desde los polos magnéticos, que es alimentada por la rotación.
Cuando el ritmo de rotación decrece ésta cesa.)
Dicho de otro modo: todas las emisiones observadas de púlsares
ordinarios de radio (excepto una débil luminosidad remanente de rayos X que brota de su pequeña y
caliente superficie) son alimentadas por una lenta pérdida de la energía de rotación
con la que nació la estrella. El campo magnético de una púlsar de radio es esencialmente
estable; su rol principal es facilitar pasivamente la pérdida de energía de rotación.
En una magnetar, por otra parte, la energía de rotación se vuelve insignificante muy
rápido. Sin embargo, nosotros especulamos que el propio campo magnético podía
proveer una fuente de energía para las emisiones que se observaban. El campo de una
magnetar es suficientemente poderoso como para empujar materia de los alrededores de
la estrella hacia su interior y aplastarlo, lo que lleva a que se disipe una cantidad
significativa de energía magnética durante los primeros diez mil años.
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Esto tiene varias consecuencias: |
| Emisión continua de rayos X |
La estrella se mantiene caliente por la fricción del material en movimiento en su
interior. Como cualquier objeto caliente, la estrella brilla. En el caso de una
magnetar joven (con una edad de unos 10.000 años), su superficie es tan caliente que
su brillo es de rayos X. Esto puede contribuir a la fuente estable puntual de rayos X.
Por otra parte, el desplazamiento del campo magnético fuera de la estrella
debe conducir corrientes eléctricas a lo largo de las líneas curvas del campo magnético.
Esto da lugar al flujo de partículas cargadas, que inevitablemente imparten energía
a los fotones de rayos X, desviándolos hacia ellas. Los flujos de partículas cargadas
también se curvan de repente hacia la estrella cuando alcanzan las puntos de base de
las líneas del campo magnético, calentando sectores de la superficie, que brillan
intensamente. Estas son las formas en que el campo magnético exterior de una magnetar
puede disipar mucha de su energía en rayos X.
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| Estallidos SGR |
Como el enorme campo magnético deriva a través de la corteza sólida
del magnetar, ésta es tensionada por las fuerzas magnéticas, que a veces resultan ser
más fuertes que lo que el sólido puede soportar. Esto causa cambios en la estructura de
la corteza que producen los brillantes estallidos.
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¿Por qué tiene una corteza la estrella?
(Esta subsección fue expandida en enero de 2003)
Una estrella de neutrones está formada mayormente de un denso líquido de neutrones,
con trazas de protones y electrones. Esto es un "fluido nuclear": puramente lo que
compone los nucleos atómicos. Es más denso que el agua líquida en la Tierra en un
factor que supera los 1014. Esta gran disparidad es
comprensible debido a que los átomos ordinarios, como los del agua, están compuestos
en su mayor parte de espacio vacío con una cobertura de livianos electrones que revolotean
alrededor de un núcleo pequeño y pesado. Este núcleo es el que contiene casi toda
la masa. En contraste, la materia de la estrella de neutrones renuncia a ese espacio
casi vacío: es un "núcleo de pared a pared". Una cucharada sopera de fluido nuclear
de las profundidades de una estrella de neutrones contiene alrededor de 10 mil
millones de toneladas de material: tanto como en una gran montaña de la Tierra.
El fluido nuclear ultradenso explotaría como una bomba nuclear si
se lo trajera a la Tierra, pero dentro de una estrella de neutrones está estable porque
es sostenido por su tremenda presión. Sin embargo, en las capas externas de una estrella
de neutrones (igual que en las capas externas de todas las estrellas) tanto la presión
como la temperatura son menores, aunque la fuerza de gravedad sigue siendo enorme.
Aquí el líquido se solidifica en una pesada corteza de alrededor de un kilómetro y
medio de profundidad. Está formada de núcleos atómicos pesados dispuestos en un entretejido
cuasi-cúbico, con electrones fluyendo en medio, algo parecido a una aleación metálica
terrestre pero mucho más denso.
Las propiedades de la corteza de una estrella de neutrones fueron
resueltas por Malvin Ruderman de la Univesidad Columbia y otros astrofísicos. Las capas
superiores están hechas de hierro, pero los núcleos en este entrelazado sólido se van
haciendo cada vez más pesados e hinchados de neutrones a medida que se profundiza.
Además hay neutrones libres, junto a electrones libres, en el interior de la corteza
y en profundidades de más de 750 metros. Es decir que este entretejido (con carga
positiva) está impregnado por un líquido de neutrones y electrones solitarios (con
carga negativa). Esos neutrones libres son pegados y despegados continuamente de los
núcleos abotagados de neutrones. En la base de la corteza los núcleos abotagados se
tocan y se unen; la estrella entera, por debajo de la corteza, parece un núcleo
gigante.
Esta corteza externa sólida es esencialmente sólida en una púlsar,
pero en una magnetar está sometida a tensiones a causa de las insoportables fuerzas
magnéticas, porque el campo se difunde a través de ella y el campo magnético en la
base líquida tira de ella desde abajo. Esto deforma la corteza y causa que el campo
magnético que la penetra se mueva y deslice. Ocasionalmente, la corteza y el campo
sobre ella se vuelven catastróficamente inestables.
Estallidos
Los estallidos de las magnetares liberan tremendas cantidades de energía
magnética con gran rapidez. Tienden a llegar en grupos en los momentos en que la corteza
está cediendo a poderosas tensiones magnéticas. Mientras crece la inestabilidad, el
campo cambiante, deslizante, retorcido produce fuertes corrientes que se disipan encima
de la estrella, energizando las partículas atrapadas en el campo magnético exterior.
Simultáneamente, el campo magnético pasa a un estado de energía más baja. Esto produce
una explosión de rayos X duros (rayos gamma suaves) que es lo que se observa como
un poderoso y ordinario estallido de SGR.
Hay que observar que las fuerzas magnéticas también pueden deformar la corteza
de una púlsar de radio, pero el campo magnético de una púlsar no es suficientemente
poderoso como para deformar rápidamente la corteza y producir episodios de billantes
estallidos. El campo debe ser más o menos 1014 o más para
causar una falla en la corteza profunda.
Destellos gigantes
Ocasionalmente, el campo magnético se vuelve inestable a una escala
mucho mayor, y se reacomoda a sí mismo rápidamente a un estado de menor energía.
Inevitablemente, los destellos gigantes involucran también desplazamientos en la
estructura de la corteza.
En una magnetar, la energía disponible para esos detellos magnéticos
es tremenda porque el campo es muy poderoso. La energía magnética de una magnetar alcanza
con facilidad a alimentar los grandes destellos del 5 de marzo de 1979 o del 27 de agosto
de 1998; también todos los estallidos de corta duración que llegan desde las SGRs.
Unos estallidos más o menos análogos ocurren habitualmente en el Sol,
en sucesos explosivos llamados "llamaradas solares". Durante una llamarada solar, las líneas
de campo magnético cercanas a las superficie del Sol cambian la distribución en que están
conectadas una con otra, un proceso llamado "reconexión magnética", que libera energía
magnética pura. Esto ocurre también en las magnetares. Debido a que esto sucede más rápido
y más limpiamente (sin demasiada materia involucrada) es capaz de producir estallidos
intensos y breves de rayos gamma. De hecho, las llamaradas solares emiten a menudo
parte de su energía en rayos gamma.
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Una breve historia de las magnetares
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En 1992 publicamos un artículo científico en The Astrophysical Journal
proponiendo la teoría de magnetar de las SGRs
(Duncan & Thompson, Ap.J. 392, L9). Delineamos la mayoría de las ideas que se describen arriba, incluyendo la de los estallidos
alimentados por la reconexión (y los rayos X estables alimentados magnéticamente, dentro de
la nota al pie 6 del artículo). Además observamos que: |
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Como el campo de una magnetar es muy fuerte, ésta frena con mucha rapidez
su rotación a causa de las ondas magnéticas, lo que potencialmente da cuenta del período
inusualmente largo de la rotación de la fuente del estallidos del 5 de marzo. De hecho,
uno puede estimar cuán potente es el campo para que la estrella reduzca su velocidad de
rotación al período observado (8,0 s) a la edad observada (menos de 10.000 años, según
lo deducido de las observaciones del remanente N49 de la supernova en la cual
presumiblemente se formó). Encontramos que es de alrededor de 6 x 1014
Gauss; la primer estimación del campo de una magnetar. Esta solución no es sensible al
período inicial de rotación, siempre que la estrella haya nacido rotando mucho más
rápido que lo que está rotando ahora. (Dos efectos mencionados arriba —vibraciones
magnéticas y campos retorcidos en el exterior— pueden aumentar el ritmo de
disminución de velocidad de rotación de las magnetares durante períodos de actividad
magnética y reducir moderadamente el campo magnético necesario, pero los cálculos
demuestran que siguen siendo necesarios campos de SGR de más de 1014
Gauss.)
Las magnetares pueden adquirir de forma natural unas grandes velocidades
de impulso en su nacimiento por medio del "efecto cohete de neutrinos" ("neutrino rocket
effect") o "manchas estelares magnéticas de neutrinos" ("neutrino magnetic starspots").
Este efecto sigue en estudio y discusión, por lo cual no entraré en detalles aquí, excepto
para observar que esto puede explicar los grandes desplazamientos observados de algunas
SGRs de los centros de sus restos de supernova asociados ("SNRs").
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La teoría se enfrentó con un extenso escepticismo. Esta es una parte
saludable del proceso científico, que nos hizo trabajar más duramente. En 1995 publicamos
un artículo muy largo en Monthly Notices (Noticias Mensuales) de la Royal Astronomical
Society (una revista británica) con muchos más detalles (Thompson y Duncan, M.N.R.A.S.
275, 255). Delineamos siete maneras diferentes de estimar el campo magnético de la fuente
de estallidos del 5 de marzo, todas indicando un campo mayor que 1014 Gauss.
En particular, argumentamos que si, y sólo si, el campo excede
1014 Gauss, éste puede:
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| (1) |
Hacer rotar a la estrella con un período de 8,0 segundos a la edad de la SNR (como se menciona arriba). |
| (2) |
Proveer suficiente energía para el suceso del 5 de marzo, un supuesto destello magnético. |
| (3) |
Explicar la corta duración de 0,2 segundos del pico más duro del suceso 5 de marzo. Este
es el tiempo que se necesita para hacer un reajuste magnético de gran escala, debido a que
los disturbios magnéticos deben viajar a través de la estrella. |
| (4) |
Impulsar la disipación magnética suficientemente rápido como para explicar la
actividad SGR en un tiempo del orden de los 10.000 años, que es la edad de las SGRs
(como se deduce de sus SNRs asociadas). |
| (5) |
Proveer suficiente energía para alimentar la luminosidad remanente estable de rayos X de las SGRs
("las fuentes puntuales de rayos X"). |
| (6) |
Suministrar el gas caliente de partículas emitido en la cola suave del suceso
del 5 de marzo (y en los estallidos SGR normales), casi transparente a los rayos X.
Esto es necesario para explicar por qué los estallidos SGR son tan extraordinariamente
brillantes.
Este importante punto fue observado por primera vez por Bohdan Paczynski de la Universidad
Princeton en 1992, poco después de nuestro primer artículo sobre magnetares. |
| (7) |
Sostener, con fuerzas magnéticas, el gas caliente de partículas que se emitió
en la cola suave del suceso del 5 de marzo. |
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Este último punto requiere un poco de explicación.
El pulso inicial del suceso del 5 de marzo fue tan potente y brillante que tiene que
haber sido emitido por una explosión de energía pura (casi sin masa), o una "bola de
fuego", lanzada desde la estrella a cerca de la velocidad de la luz. Esto puede haber
sido alimentado por un destello magnético.
Es evidente que la bola de fuego contenía muy poca materia,
excepto livianos pares electrón-positrón que están por todas partes en un gas
tremendamente caliente. (Los positrones son anti-electrones, una clase de
antimateria.
Los pares partícula-antipartícula se crean expontáneamente a partir de fotones
toda vez que hay suficiente energía presente.)
Si la bola de fuego hubiese estado contaminada por más que trazas de partículas pesadas
(neutrones y protones) habría perdido energía en arrastar la pesada materia, y no
hubiese emitido rayos gamma de semejante intensidad y dureza.
Es natural esperar que luego de que se dispersó la bola de fuego, ésta
dejase detrás un residuo. En este caso, el residuo esperado es una nube caliente de pares
electrón-positrón, atrapados cerca de la estrella por el poderoso campo magnético.
Cerca de una estrella de neutrones, las líneas del campo magnético
están ancladas de ambos extremos en la superficie de la estrella, describiendo arcos
que se extienden hacia fuera de ella. (De este modo recuerdan las líneas de
campo de una barra imantada de hierro, que se arquean entre el polo norte y sur.)
Los electrones y los positrones tienen carga eléctrica, de modo que giran alrededor de
las líneas de campo, pero no se pueden deslizar de manera perpendicular a ellas.
Sí pueden moverse con libertad en paralelo con las líneas de campo, pero en
esta dirección pronto caen contra la superficie estelar en los puntos de contacto
de un arco magnético. Así que el campo magnético actúa como una "botella", manteniendo
partículas cargadas. Ahora, además hay cantidad de rayos X y gamma dentro de la botella
magnética, que sí pueden cruzar las líneas de campo, pero esos fotones rebotan
entre los electrones y positrones y no van lejos. (Entre rebotes, los rayos gamma también
siguen creando continuamente pares electrón-positrón y son regenerados cuando los pares
se aniquilan. Esto impide aún más su movimiento.) Sólo en la superficie de la botella
los fotones se pueden liberar y escapar libremente.
 |
Una bola de fuego atrapada (zona naranja) en la superficie de una estrella de
neutrones (marrón). La bola de fuego, que contiene positrones
( e+ ),
electrones ( e- ), y fotones de alta energía
( γ ), está confinada por el campo magnético (líneas oscuras arqueadas).
Pierde energía emitiendo fotones de rayos X duros (flechas onduladas naranja)
desde su superficie. La bola de fuego también contiene trazas de partículas
pesadas (protones e iones) que fueron lanzados desde la superficie de la estrella.
Esas partículas pesadas bajan a lo largo de las líneas de fuerza
mientras la bola de fuego pierde energía y se reduce.
|
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Thompson y yo imaginamos que el pulso duro del 5 de marzo debe haber dejado atrás
porciones de ese gas caliente y magnetizado de fotones y pares, que quedaron ancladas sobre la
estrella de neutrones. Llamamos a este fenómeno la "bola de fuego atrapada." El gas
caliente pierde energía cuando los fotones fluyen alejándose de las capas exteriores,
expuestas. Los electrones y los positrones de esta capa exterior se aniquilan, de manera
que también se irradia su energía. En cierto tiempo, la bola de fuego atrapada inevitablemente
se contrae. Las capas de líneas de campo se van vaciando hacia fuera, una tras otra.
Esto puede explicar la curva de luminosidad
del 5 de marzo.
Mientras la bola de fuego se va reduciendo, su superfice brillante disminuye y se va
apagando. Debido a que las líneas del campo magnético están ancladas a la estrella de
neutrones en rotación, las zonas de gas brilante giran también cada 8 segundos. Debemos
haber visto la bola de fuego desde ángulos continuamente cambiantes, repitiéndose en
un ciclo de 8 segundos. Los picos de brillo se producen cuando la parte más luminosa
apunta hacia nosotros; y se apaga cuando la bola de fuego es ocultada casi del todo
por la estrella. Al mismo tiempo, se contrae y atenúa constantemente. Después de alrededor
de 3 minutos, es evidente que la bola de fuego atrapada termina de evaporarse del todo.
Probablemente se produzcan zonas similares de partículas calientes
atrapadas cuando se libera energía magnética en los estallidos SGR comunes. Esto puede
explicar por qué el espectro de rayos X (la distribución de energías de los fotones de
rayos X) fue esencialmente el mismo en la cola suave del suceso del 5 de marzo y en los
subsiguientes estallidos breves. Pero los estallidos SGR típicos no duran suficiente
tiempo como para que se vean las ondulaciones de rotación de 8 segundos. Simplemente
no tienen suficiente energía como para durar tanto. Una bola de fuego atrapada de poca
energía se evapora muy rápido.
Esto nos lleva al punto (7) de más arriba.
El campo magnético de la estrella tiene que ser suficientemente potente como para
confinar el gas caliente de electrones-positrones-fotones que emitió la cola suave
del suceso del 5 de marzo. Las medición de los rayos X de la cola suave, sumando su
duración de la totalidad de los tres minutos, nos dicen (aproximadamente) cuánto era
el total de energía del gas atrapado. Un cálculo muy simple nos muestra, entonces,
que para mantener un gas de partículas con esa energía cerca de una estrella de
neutrones (suficientemente cerca como para mostrar esas dramáticas ondulaciones al
girar), utilizando puramente fuerzas magnéticas, el campo debe ser más potente de
alrededor de 4 x 1014 Gauss.
Ahora, debido a que escapa una gran cantidad de energía en el
comienzo (como se evidencia por el pico duro inicial) las fuerzas magnéticas
que atrapan son llevadas a sus límites. Esto sugiere que 4 x 1014
Gauss es una estimación de la fuerza del campo, no justo su límite inferior.
El hecho de que esta estimación concuerda con otros argumentos
independientes (como el argumento de la disminución de la rotación, etc.) es prometedor.
La mayoría de nuestras estimaciones fueron basadas en el suceso del 5 de marzo de 1979,
de modo que el suceso puede ser bautizado la "pistola de largada" de los campos magnéticos
extremadamente potentes.
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1998: año de descubrimientos en magnetares
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Todos los argumentos expuestos anteriormente sobre magnetares
fueron propuestos antes del fin de 1995. Sin embargo, en aquella época pocos astrónomos
estaban interesados en estudiar abstrusos asuntos sobre el magnetismo de las estrellas de
neutrones o a considerar reinterpretaciones de datos que tenían 16 años de antigüedad.
Esta situación cambió dramáticamente en 1998 cuando llegó una inundación de nuevos
resultados de observación.
Esto comenzó en mayo de 1998, cuando Chryssa Kouveliotou del Marshall
Space Flight Center de la NASA y un equipo internacional de 10 colaboradores
demostraron que las emisiones de rayos X de SGR 1806-20 pulsaban en un ciclo
regular de 7,5 segundos. Esas pulsaciones son, casi con certeza, debido a la
rotación de una estrella de neutrones. Mientras la estrella gira, las zonas brillantes
y débiles en su superficie y en su magnetosfera circundante ("puntos calientes y fríos")
evidentemente rotan, poniéndose dentro y fuera de nuestra vista. Esto significa que
SGR 1806-20 tiene un período de rotación de 7,5 segundos, similar al de la fuente
de estallidos del 5 de marzo (de 8,0 s).
Por otra parte, Kouveliotou y sus colaboradores midieron el ritmo al que se
iban frenando las pulsaciones (o las rotaciones), que resultó ser de 0,26
segundos por siglo. Puede sonar a poco, pero demuestra que el frenado en la rotación
de la estrella es profundo. Esto permitió a Kouveliotou y demás hacer una estimación
bastante directa del campo magnético, usando el mismo método usado en el estudio de
las púlsares de radio. Si la disminución de velocidad era debida a las ondas magnéticas
que restaban energía e ímpetu angular, como parecía plausible, entonces la fuerza del
campo era de 8 x 1014 Gauss. Esto estaba, por
supuesto, exactamente en el rango que Thompson y yo habíamos elegido por una cantidad
de razones (como está delineado más arriba).
Este resultado, publicado en el ejemplar de mayo de 1998 de
Nature, produjo mucho interés entre los astrofísicos. Por otra parte, parecía
como si las propias SGRs hubiesen decidido responder.
Durante la última semana de mayo 1998 la SGR 1900+14 emitió más de 50 estallidos,
algunos con energía sin precedentes. Continuó emitiendo estallidos a principios de
junio, cuando una SGR totalmente nueva en nuestra galaxia, SGR 1627-41, apareció
por primera vez. Esta nueva estrella emitió cerca de 100 estallidos durante los
dos meses siguientes, como hemos descrito arriba.
Luego, en agosto, Kevin Hurley y sus colegas anunciaron que habían
detectado pulsaciones de 5,16 segundos en los rayos X continuos de SGR 1900+14
(IAU Circular 7001).
Kouveliotou, Tod Strohmayer (Goddard Space Flight Center de la NASA) y Hurley,
trabajando con otros seis científicos, encontraron pronto que las pulsaciones de rayos X
de esta estrella, como en SGR 1806-20, se iban frenando gradualmente. Se necesitaba
un campo magnético de alrededor de 5 x 1014 Gauss para
que la estrella se frenara al ritmo observado.
Pero antes de que los investigadores tuviesen posibilidad de escribir
un artículo
científico sobre esto, debieron apuntar todos los telescopios de rayos X disponibles
de nuevo hacia SGR 1900+14...
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El suceso del 27 de agosto
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El 27 de agosto de 1998 un destello gigantesco de SGR 1900+14
marcó un nuevo record para el flujo de rayos gamma más intenso que se haya detectado
proveniendo de una fuente fuera de nuestro sistema solar. Relampagueó en los detectores
de rayos gamma y X de siete naves espaciales distintas situadas por todo el Sistema Solar.
Tres experimentos grabaron datos especialmente útiles: el detector ruso Konus en
la sonda espacial Wind
de ciencia geoespacial que estaba orbitando cerca del punto de equilibrio Sol-Tierra
("L1"), ubicada a contracorriente del viento solar respecto a la Tierra; el observatorio
de rayos gamma ítalo-holandés Beppo-SAX,
en órbita baja sobre la Tierra; y un detector de rayos gama a bordo de la nave espacial
Ulysses, un esfuerzo común de la Agencia
Espacial Europea y la NASA, que se movía en órbita alrededor del Sol en una órbita polar
a más o menos la distancia de Júpiter.
Otro observatorio de rayos X de la NASA en órbita terrestre,
el Rossi X-ray Timing
Explorer (RXTE), no estaba apuntado hacia SGR 1900+14 cuando se produjo el
estallido, pero aún así registró una fuerte señal. Fotones de alta energía se
difundieron a través del blindaje de metal de sus detectores de rayos X.
Una herramienta probada para el estudio de las SGR, sin embargo, llamada
Burst and Transient Source Experiment
(BATSE) y ubicada a bordo del observatorio orbital Compton de rayos gamma,
no detectó nada. El equipo de BATSE, dirigido por el apacible Charles Meegan (quien es
BATSE-MAN) no estaba de suerte ese día: el observatorio
Compton estaba del otro lado de la Tierra en el momento del destello.
El destello dio contra la Tierra del lado nocturno, en el cénit
sobre el océano Pacífico, a las 1:22 AM de la hora de Hawaii. Fue suficientemente
intenso como para ionizar fuertemente la atmósfera exterior de la Tierra, lo que
afectó las comunicaciones radiales.
Esto requiere algo de explicación. Las ondas de radio, en especial
las de onda larga como las de radio AM, rebotan entre la "ionósfera" y la superficie
de la Tierra y así se propagan por alrededor del planeta. La ionósfera es una capa
de difuso gas ionizado —átomos de aire que han perdido electrones y se vuelven
iones cargados positivamente— en las alturas de la atmósfera. Los fotones de alta
energía que llegan del Sol mantienen bien ionizado el tenue aire durante el día,
de modo que de día la ionósfea está a alrededor de 60 kilómetros sobre la superficie
de la Tierra. A la noche, los electrones se recombinan con los iones, haciendo que la
capa inferior de la ionósfera se eleve hasta 80 - 90 kilómetros. Por esto se pueden
captar estaciones de radio muy distantes durante la noche: las señales de radio viajan
por lo general más lejos si sufren menos rebotes (que les absorben potencia).
Temprano en la mañana del 27 de agosto de 1998, los ingenieros de la
Universidad Stanford que estaban monitoreando transmisiones de radio de la Marina de los
EEUU de onda muy larga (que llevan mensajes codificados para los submarinos nucleares)
encontraron que la altitud de la ionósfera se desplomaba por un período de 5 minutos
a partir de las 3:22 AM PDT. Al parecer alguna fuente misteriosa de ionización estaba
haciendo bajar la capa ionizada hasta altitudes diurnas (alrededor de 60 km). Curiosamente,
también se observó que la altura de la ionósfera variaba cíclicamente con un período de 5,16
segundos... Por supuesto, habían detectado el período de rotación de SGR 1900+14 de una
manera notable por lo nueva, probando que no se necesita un sensible telescopio de
rayos X para medir el período de giro de una SGR. Si se espera un destello gigantesco, se
puede utilizar un "telescopio de toda la Tierra" —la ionósfera completa del planeta
entero— para ver el períoso de rotación de una pequeña estrella de neutrones
ubicada a veinte mil años luz de distancia.
El frente de onda de rayos gamma viajó por el Sistema Solar y la
última nave espacial que alcanzó fue la sonda espacial Near-Earth Asteroid Rendevous
(NEAR) de la NASA, en camino a encontrarse con el asteroide Eros. El destello fue
suficientemente brillante como para forzar a los detectores de rayos gamma de la NEAR
a entrar en un modo de apagado de protección.
Aquí mostramos un gráfico de la intensidad del destello del 27 de
agosto, tal como fue registrado por los detectores de rayos gamma de la Ulysses (sensibles
a los rayos gamma en el rango de 25-150 "kilo electrón voltios" o "keV", una
unidad que indica la energía de un fotón).
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Etapas finales del destello del 27 de agosto de 1998, tal como fue registrado
por los detectores de rayos gama de la nave interplanetaria Ulysses.
El eje vertical muestra los conteos del detector durante sucesivos intervalos de
5 segundos, que son un promedio aproximado del período de rotación de la estrella.
Las líneas discontinuas muestran la emisión que se esperan de una bola de fuego
atrapada en una magnetar, evaporándose después alrededor de 380 segundos.
(Esta figura y las dos figuras que siguen pertenecen a
M.
Feroci, K. Hurley, R.C. Duncan & C. Thompson 2001, Astrophysical Journal, 549, p.1021.)
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Los dos destellos gigantes
(5 de marzo de 1979 y 27 de agosto de 1998) fueron
similares de varias maneras. Ambos comenzaron con un pico breve y duro de rayos
gamma muy intensos, seguido de una cola suave con oscilaciones. En el suceso del 27 de
agosto, la oscilación siguió un ciclo regular de 5,16 segundos. (Los ciclos aparecen
progresivamente más cortos cuando se mira más hacia la derecha de la figura de arriba,
pero sólo se debe a que la escala de tiempo no es lineal: se va poniendo más "apretada"
al ir hacia la derecha, de una manera "logarítmica".)
Aunque el suceso del 27 de agosto fue intrínsecamente menos potente que el del 5 de
marzo (aproximadamente en un factor de 10), llegó desde una fuente mucho más cercana
a la Tierra, de manera que apareció más brillante. Entre 1979 y 1998 se produjeron
varias mejoras en detectores y en registro de datos, de modo que tenemos muchos mejores
datos sobre el destello de 1998. Por ejemplo, en 1979 casi no se registraron las etapas
finales del destello, debido a las capacidades limitadas de almacenamiento de las
computadoras de las naves espaciales de la época de los 70.
En 1998, la parte final del destello fue registada por tres experimentos distintos,
(Konus, Ulysses y Beppo-SAX). Notablemente, las brillantes emisiones
del destello cayeron muy de repente, esencialmente a cero, a 380 segundos después
del inicio del destello (véase la figura a la derecha). Esto es de esperar en el
modelo de magnetar, debido a que una bola de fuego atrapada
en la superficie de una magnetar se debe "evaporar" completamente en un tiempo finito,
cuando los pares electrón-positrón dentro de ella se aniquilan y su energía es arrastrada
por los rayos X duros del destello. En contraste, las emisiones de una "mancha caliente"
que se enfría en la superficie de una estrella se van desvaneciendo gradualmente mientras
los rayos X se "ablandan", es decir, que las energías de los fotones de rayos X se corren
gradualmente a valores menores.
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Estrellas de quarks extraños y luminosidades remanentes
(algunas observaciones entre paréntesis, para lectores avanzados)
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Un modelo alternatico para las SGRs basado en la idea de estrellas
de quarks extraños predice el comportamiento de "manchas calientes" desvaneciéndose.
Este modelo postula que las SGRs están hechas de "materia de quarks extraños", un
estado alternativo hipotético para la materia muy densa (diferente de la materia nuclear
ordinaria como la que se encuentra en las estrellas de neutrones). Los teóricos han
observado que si cae un glóbulo o "guijarro" de materia de quarks extraños sobre una
estrella de quark extraños y se estrella de golpe sobre su superficie a gran velocidad,
crearía una mancha caliente en la superficie que podría emitir algo semejante a un
destello gigante de SGR.
Esto ocurre porque las fuerzas cuánticas fuertes de "color" entre los quarks retienen
materia más que gravedad, permitiendo que los rayos gama extremadamente brillantes y
las emisiones duras de rayos X broten de la estrella sin perder demasiada energía en
el proceso de desintegrar la materia. Sin embargo, la conclusión repentina del destello
del 27 de agosto parece inconsistente con este panorama.
Obsérvese que, incluso en el modelo de magnetar, tiene que existir
una "mancha caliente" residual en la superficie de la estrella de neutrones
después de que se evapora la bola de fuego atrapada, que emite una luminosidad remanente
de rayos X. (Esto fue observado por primera vez por Thompson y por mí en nuestro artículo
de 1995 en Monthly Notices of the Royal Astronoical Society.)
Pero esta luminosidad remanente es de órdenes de magnitud más débil que la brillante emisión de la bola
de fuego atrapada en el destello, de modo que no se puede detectar con detectores de
rayos gamma de cobertura total del cielo como los que posee la Ulysses.
Para detectar la luminosidad remanente que llega luego de la SGR se necesita un verdadero telescopio de rayos X
que esté apuntado hacia la fuente. De hecho, se encontró una luminosidad remanente que
se desvanecía los días siguientes al suceso del 27 de agosto de 1998 cuando se apuntaron
el RXTE y otros telescopios de rayos X hacia la SGR. A la luminosidad siguieron tres estallidos
posteriores brillantes desde SGR 1900+14 que también se midieron (el 29 de agosto de
1998; el 18 de abril de 2001 y el 28 de abril de 2001). Estas luminosidades remanentes son
consistentes con manchas calientes que se enfrían en las magnetares, pero no en las
estrellas de quarks extraños.
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Quizás la característica más impactante del suceso del 27 de agosto
fue la aparición de una forma con cuatro picos en la curva de luminosidad después de
unos 40 segundos, como se ve en los datos de los detectores de rayos gamma de la
Ulysses y de Beppo-SAX.
La figura de cuatro picos persiste a través de la mayor parte del
resto de la llamarada, como se ve en el gráfico que sigue (Nota: cada recuadro representa
un ciclo de rotación de la estrella de 5,16 segundos. La nave espacial Beppo-SAX
registró la forma detallada de la emisión del destello durante 7 1/2 ciclos más que la
Ulysses.)
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Estos notables datos indican que la geometría de la bola de fuego
atrapada era muy complicada en las regiones cercanas a la estrella, una vez que quedaron
"despejadas" las zonas emisoras más parejas de gran envergadura. Esto aporta la primera
evidencia directa de que el campo magnético de un estrella de neutrones es complejo cerca
de ella. Es decir, no es un campo simple con sólo un polo norte y un polo sur, como el de
un imán de barra.
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Púlsares anómalos de rayos X
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Está sección aún no está terminada. Estará disponible en el verano del hemisferio norte
(aproximadamente en junio-agosto del 2005).
Entretanto, recomiendo ver mi artículo sobre AXPs y magnetares en el ejemplar de
enero de 2005 de la revista Sky and Telescope.
Ahí ofezco una discusión casi completa, no técnica, sobre las AXPs.
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Imagen del telescopio Einstein de rayos X del resto de supernova galáctica
CTB 109 en Cassiopeia (con colores que indican intensidades de rayos X).
El brillante punto central de rayos X es la púlsar anómala de rayos X
1E 2259+586. Esta estrella "anómala" emite pulsos con un período de 7 segundos,
que se supone se deben a la rotación de la estrella de neutrones. Por más de
dos décadas fue un misterio qué fuente de energía alimenta esta estrella. Se piensa
ahora que está alimentada por la disispación magnética, lo que la convierte en
la candidata a ser una magnetar más cercana a la Tierra. La emisión difusa
de rayos X que la rodea es debido a la luminosidad remanente de los restos calientes de la
explosión de supernova en la que se formó, evidentemente, la AXP. Este resto
de supernova parece estar achatado a la derecha debido a que una densa nube
molecular limita su expansión en esa dirección.
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Torsiones magnéticas y rayos X
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Esta sección es para lectores familiares con la física de estudiantes de primer año de la universidad.
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La corteza de una estrella de neutrones tiene raras propiedades. Es muy difícil
comprimir demasiado el material de la corteza o mover elementos de ella hacia
arriba o hacia abajo, debido a que las potentes fuerzas gravedad y presión mantienen
un firme balance, sosteniendo la corteza a nivel y a un volumen casi constante.
Es mucho más fácil mover partes de la corteza en sentido horizontal, de manera que
sólo le aplican "tensiones de cizallamiento".
(Para comprender las tensiones de cizallamiento, imagínese un bloque
de goma entre sus manos. Ahora empuje su mano derecha alejándola de usted y tire de la
izquierda hacia usted. El bloque se deforma como un paralelepípedo. Usted le ha aplicado a
ese bloque una tensión de cizallamiento: la fuerza de restauración elástica es
perpendicular a una línea que une sus manos.)
Las fuerzas de presión que resisten la compresión en la corteza
de una estrella de neutrones son mucho más fuertes que las fuerzas elásticas que
resisten la tensión de cizallamiento, debido a que se originan en distintos componentes
microscópicos. La presión proviene mayormente de la incomprensibilidad cuántica de
los fluidos de electrones y neutrones (llamadas fuerzas de "degeneración"), mientras
que la elasticidad de cizallamiento proviene de las más débiles fuerzas de restauración
electrostática (Coulomb) del enrejado cúbico de núcleos cargados positivamente.
En una magnetar joven, el campo magnético evoluciona con el paso
del tiempo, buscando en el proceso un estado de energía menor, lo que somete a la
corteza a potentes fuerzas magnéticas. Por ejemplo, las líneas de campo magnético
derivan continuamente a través del interior líquido de la estrella, tensionando la
corteza desde abajo. El campo no es suficiente como para producir mucha compresión
o movimiento vertical en la corteza, pero puede producir movimientos de torsión
significativos sobre partes de la corteza en dirección horizontal, debido a que
esto involucra puras tensiones de cizallamiento. (Debido a que trabajo =
fuerza x distancia, ese tipo de deformaciones también engendra
la mayor parte de la transferencia de energía entre el campo y la corteza.)
Siempre que sucede esto, las líneas del campo magnético externo de la estrella
también se tuercen porque están ancladas a la corteza. Esto puede tener consecuencias
significativas, observables, según lo que se demuestra en la figura a continuación.
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Una torsión magnética produce un aumento de las emisiones de rayos X desde una magnetar.
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La estrella a la izquierda está en un estado relajado, con una corteza sin deformación.
Las líneas azules representan las líneas del campo
magnético externo de la estrella, que forman un arco con ambos extremos anclados en
la corteza. (Por supuesto, las líneas del campo magnético en realidad son invisibles
al ojo, pero las dibujamos aquí para que se pueda ver lo que está ocurriendo.)
Ahora imagine que un "casquete" circular de corteza gira debido a
las tensiones que le son aplicadas desde abajo, como muestran las
flechas marrones en la superficie de la estrella de
la izquierda. Cuando ocurre esto, las líneas de campo de fuera de la estrella se
retuercen, como se muestra a la derecha. Esto lleva inevitablemente a la producción
de una corriente I a lo largo del arco, como
les quedará claro a los lectores que tengan en mente la ley de Ampere de la física de
la universidad.
La ley de Ampere —la ecuación que se ve en el recuadro de la figura— dice
que la "circulación de B", que es la integral
lineal del campo magnético B
alrededor de un lazo cerrado (en este caso, el círculo verde
alrededor del arco de líneas de campo retorcidas) es proporcional a la
corriente eléctrica I que pasa a través
del lazo. Debido a que el campo está retorcido, hay un componente de
B señalado alrededor del
lazo verde,
que aporta una circulación no igual a cero. En consecuencia debe haber una corriente:
las partículas cargadas deben correr a lo largo del manojo retorcido de líneas de
campo magnético, que forman un arco sobre la estrella. Los electrones fluyen en una
dirección, mientras que los protones e iones fluyen en sentido contrario.
Las corrientes que fluyen fuera de una magnetar dan lugar a
perceptibles emisiones de rayos X (representadas por las flechas
onduladas de color naranja en la figura) de dos maneras. Los protones y los iones,
más pesados, dan sobre la superficie de la estrella en uno de las bases [de la línea
de campo magnético], calentando una parcela de la corteza y haciéndola brillar
intensamente en rayos X (relativamente suaves). Los electrones que fluyen en la otra
dirección alcanzan velocidades cercanas a la de la luz, porque estas partículas, más
ligeras, son fáciles de acelerar. Afectan y calientan el otro extremo; pero lo más
importante es que estos veloces electrones chocan a menudo con fotones de rayos X de
fuera de la estrella, aportándoles mucha de su energía cinética. Muchos de los rayos
X suaves, térmicos, de la superficie brillante de la estrella son impactados y pasan
a tener altas energías. Es plausible que las emisiones resultantes se asemejen a
las de las SGRs y AXPs, que incluyen componentes suaves y duros. De esta manera, la
energía de las torsiones magnéticas en el exterior de una magnetar se disipa
gradualmente en rayos X.
Movimientos de la corteza de la magnetar y la "magnetósfera retorcida globalmente"
Parcelas de la corteza de una magnetar se pueden torcer elásticamente con tensiones de
cizallamiento en forma espiral. Cuando las fuerzas magnéticas se hacen sufcientemente
potentes, pueden vencer la tensón magnética y producir movimiento "plásticamente",
cambiando realmente la estructura de la corteza. Esta torsión de casquetes de corteza
probablemente dispara los episodios de estallidos SGR y las llamaradas.
Esos movimientos de corteza generalmente producen corrientes fuera
de la estrella y generan rayos X. En particular, cuando está localizado, el deslizamiento
plástico lateral de la corteza crea regiones fuertemente cizalladas en el campo magnético
que está sobre la superficie de la estrella, lo que hace fluir fuertes corrientes. La
reconexión magnética durante los estallidos tiende a alisar esas discontinuidades, pero
no puede eliminar todas las corrientes exteriores. Cuando cualquier lazo cerrado alrededor
de cualquier parte de la superficie de la corteza que se desliza desarrolla una
circulación B diferente a cero, fluirá corriente.
Esto explica, probablemente, por qué a veces los rayos X que
provienen de SGRs y AXPs varían de brillo, a menudo coincidiendo con estallidos y
llamaradas. Por otra parte, si las torsiones magnéticas (y las corrientes) se
extienden hacia bien lejos de la estrella, a regiones donde se generan e irradian ondas
magnéticas debido la rotación estelar, entonces afectarán el ritmo de la disminución
del giro de la estrella.
En algunas SGRs se han observado variaciones bastante dramáticas en el
ritmo de disminución de rotación. Estas variaciones pudieron ser producidas por cambios
internos en las estrellas. Pero también es posible que una parte de la variabilidad
de la disminución de rotación se deba a las cambiantes torsiones en una "magnetosfera
retorcida globalmente".
En este escenario, los hemisferios de la magnetar tienden a retorcerse uno respecto al
otro, movidos por tensiones magnéticas internas. Todo el campo magnético exterior global
se retuerce también, entonces, y conduce corrientes. Esto incluye muchas líneas de campo
que se extienden hasta muy lejos de la estrella, de modo que si hay una geometría retorcida
en gran escala, las ondas magnéticas que surgen son perceptiblemente afectadas, al igual
que los cambios del ritmo de disminución de la rotación.
Un campo magnético retorcido globalmente implica un campo magnético muy fuerte que
se "enrosca" profundamente dentro de la estrella y lleva con él la torcedura. Un campo
así, con muchas líneas de campo en una geometría toroidal (como una rosquilla),
llevaría a los hemisferios de la corteza a retorcerse uno en relación con el otro
como si se intentara desenroscarlos, haciendo fuerza como el resorte espiral de un reloj.
Si las magnetares se forman a partir de estrellas de neutrones recién nacidas que
giran muy rápido, entonces es de esperar que los campos interiores sean "retorcidos"
por la rápida rotación inicial.
Referencias Las torsiones magnéticas y las emisiones de rayos X fueron tratadas
originalmente por C. Thompson, R.C. Duncan, P. Woods et al. 2000, Astrophysical
Journal, 543, 340. La magnetósfera retorcida globalmente fue tratada por C. Thompson,
M. Lyutikov y S.R. Kulkarni 2002, Astrophysical Journal, 574, 332.
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Aquí presento enlaces a algunas páginas de web y artículos informativos, no técnicos,
sobre SGRs y AXPs. Los que tienen fondo verde son especialmente recomendables
debido a que tratan sobre desarrollos que no he cubierto (adecuadamente) arriba.
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Artículo "Magnetars" de Scientific American (PDF)
Esta fue la historia de tapa de la revista Scientific American en Febrero de 2003. Para
ver el archivo PDF de este artículo de 8 páginas, ilustrado a todo color, haga clic sobre
el nombre o sobre la portada a la derecha.
(Nota: para leer este archivo usted necesita el programa Adobe Acrobat Reader.
Si no lo tiene en su máquina, puede bajarlo gratuitamente del sitio de
Adobe.)
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"Anomalous X-Ray Pulsars: Mystery Solved?"
Este artículo apareció en el número de enero de 2005 de la revista
Sky and Telescope.
El archivo pdf se puede descargar desde los archivos de Sky and Telescope
pagando un pequeño valor.
Nota: Este sitio web (el que usted está leyendo) se centra en los SGRs.
El artículo de S&T se refiere a un tipo diferente de estrellas candidatas
a ser magnetares: las AXPs. De modo que el artículo de S&T contiene información
complementaria.
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"Crushed by M | | |
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