L’astronomia X, gràcies a l'instrument NICER de la NASA a bord de la EEI, acaba de fer un avenç pel que fa als púlsars. Es podria determinar un primer mapa rudimentari de la distribució de les regions més brillants dels rajos X a la superfície d’aquests astres de neutrons que no s’ajusta a les prediccions fetes pels astrofísics.
Els púlsars són objectes fascinants que els astrofísics han estudiat des del seu descobriment per Jocelyn Bell el 1967. En radioastronomia, es manifesten com a fonts periòdiques de polsos de ràdio, però, per als astrofísics, en principi són cadàvers estel·lars, el punt final de l'evolució de certes estrelles que van explotar com a supernova SN II mentre s'ensorraven per la gravetat i donaven el que s'anomenen estrelles de neutrons. Són estrelles compactes, la massa de les quals és de l’ordre de la del Sol. Tenen un diàmetre d’unes quantes desenes de quilòmetres com a màxim i s’assemblen a un gegantesc nucli d’un àtom.
Els púlsars són objectes fascinants que els astrofísics han estudiat des del seu descobriment per Jocelyn Bell el 1967. En radioastronomia, es manifesten com a fonts periòdiques de polsos de ràdio, però, per als astrofísics, en principi són cadàvers estel·lars, el punt final de l'evolució de certes estrelles que van explotar com a supernova SN II mentre s'ensorraven per la gravetat i donaven el que s'anomenen estrelles de neutrons. Són estrelles compactes, la massa de les quals és de l’ordre de la del Sol. Tenen un diàmetre d’unes quantes desenes de quilòmetres com a màxim i s’assemblen a un gegantesc nucli d’un àtom.
L’existència d’estrelles de neutrons havia estat prevista el 1933 per Zwicky i Baade. La primera descripció teòrica detallada de les estrelles de neutrons va ser donada el 1939 per Oppenheimer i Volkkoff. Va ser cap a la fi dels anys seixanta que els astrofísics Franco Pacini i Thomas Gold, respectivament italians i britànics, van comprendre que aquests objectes podrien comportar-se com els púlsars de Jocelyn Bell.
Púlsars, balises còsmiques provinents d’explosions de supernova.
La densitat, el camp gravitatori i el camp magnètic són extrems i gairebé tota la física és necessària per comprendre les propietats d’una estrella de neutrons: la relativitat general per descomptat, però també la magnetohidrodinàmica, la teoria de la superfluïdesa i la de la superconductivitat, la física nuclear i les partícules elementals. Avui, fins i tot, estem estudiant les ones gravitacionals produïdes per les col·lisions de dues estrelles de neutrons, que també condueixen al que s’anomenen kilonoves.
Púlsars, balises còsmiques provinents d’explosions de supernova.
La densitat, el camp gravitatori i el camp magnètic són extrems i gairebé tota la física és necessària per comprendre les propietats d’una estrella de neutrons: la relativitat general per descomptat, però també la magnetohidrodinàmica, la teoria de la superfluïdesa i la de la superconductivitat, la física nuclear i les partícules elementals. Avui, fins i tot, estem estudiant les ones gravitacionals produïdes per les col·lisions de dues estrelles de neutrons, que també condueixen al que s’anomenen kilonoves.
Extracte del documental "Del Big Bang a la vida" (ECP Productions, 2010), Jean-Pierre
Luminet parla sobre la mort d'estrelles massives, la seva explosió a les supernoves
i la formació de púlsars. Àudio en francès.
Luminet parla sobre la mort d'estrelles massives, la seva explosió a les supernoves
i la formació de púlsars. Àudio en francès.
Com el seu nom indica, els púlsars emeten ones ràdio a un ritme ràpid i regular. Per entendre el motiu d’aquest fenomen, cal saber que totes les estrelles giren sobre si mateixes. Tanmateix, de la mateixa manera que un patinador veu que la seva velocitat de rotació s’accelera quan apropa els braços cap al seu cos, una estrella que s’esfondra veu augmentar la seva velocitat de rotació. És una conseqüència de la conservació del moment angular, una de les lleis més fonamentals de la física.
A més, com una estrella té un camp magnètic, també s’ha d’amplificar a causa d’una altra llei de conservació (la del flux magnètic) quan es contrau. Just després de la seva formació, el nucli calent i dens d’una estrella que s’ha convertit en una estrella de neutrons, per tant, ha de girar bastant ràpidament i tenir un camp magnètic intens.
A continuació, s'encén un mecanisme, vinculat a aquest camp, que porta l'estrella a irradiar-se poderosament emetent un feix d'ones de ràdio col·limades com un far. Quan aquest feix travessa l'òrbita terrestre, es detecta en un radiotelescopi com una sèrie regular de sons.
A més, com una estrella té un camp magnètic, també s’ha d’amplificar a causa d’una altra llei de conservació (la del flux magnètic) quan es contrau. Just després de la seva formació, el nucli calent i dens d’una estrella que s’ha convertit en una estrella de neutrons, per tant, ha de girar bastant ràpidament i tenir un camp magnètic intens.
A continuació, s'encén un mecanisme, vinculat a aquest camp, que porta l'estrella a irradiar-se poderosament emetent un feix d'ones de ràdio col·limades com un far. Quan aquest feix travessa l'òrbita terrestre, es detecta en un radiotelescopi com una sèrie regular de sons.
Presentació de les observacions de NICER del púlsar PSR J0030+0451. La gran majoria
dels púlsars tenen un període de rotació d’entre 0,1 i 10 segons. En perdre l’energia
cinètica de rotació a través del flux d’ones de ràdio, s’alenteixen lentament i, en
deu milions d’anys com a màxim, la seva velocitat de rotació es fa massa baixa per generar
una emissió de ràdio. Podeu accedir a la subtitulació des de la configuració del vídeo. © NASA Goddard
dels púlsars tenen un període de rotació d’entre 0,1 i 10 segons. En perdre l’energia
cinètica de rotació a través del flux d’ones de ràdio, s’alenteixen lentament i, en
deu milions d’anys com a màxim, la seva velocitat de rotació es fa massa baixa per generar
una emissió de ràdio. Podeu accedir a la subtitulació des de la configuració del vídeo. © NASA Goddard
J0030, un X púlsar però aïllat
Els púlsars també són fonts de rajos X. Això en el cas quan es troben en un sistema binari amb una estrella companya de la qual es desprenen la matèria amb el seu camp gravitatori. Es forma llavors un disc d’acreció on la temperatura es fa tan alta que el plasma calent format s’irradia en el domini dels raigs X.
Tanmateix, les estrelles de neutrons aïllades també poden ser fonts X, com ho demostra el cas de J0030+0451 (abreujat J0030), un púlsar situat a uns 1.100 anys llum del Sistema Solar cap a la constel·lació dels Peixos. Des de juliol de 2017 fins a desembre de 2018, J0030 va ser observada per la "Neutron star Interior Composition Explorer" (NICER-Explorador de la Composició de l'Interior de la Estrella de Neutrons), un instrument de la NASA a bord de la EEI, dedicat especialment a l'astronomia de rajos X amb estrelles de neutrons.
Els púlsars també són fonts de rajos X. Això en el cas quan es troben en un sistema binari amb una estrella companya de la qual es desprenen la matèria amb el seu camp gravitatori. Es forma llavors un disc d’acreció on la temperatura es fa tan alta que el plasma calent format s’irradia en el domini dels raigs X.
Tanmateix, les estrelles de neutrons aïllades també poden ser fonts X, com ho demostra el cas de J0030+0451 (abreujat J0030), un púlsar situat a uns 1.100 anys llum del Sistema Solar cap a la constel·lació dels Peixos. Des de juliol de 2017 fins a desembre de 2018, J0030 va ser observada per la "Neutron star Interior Composition Explorer" (NICER-Explorador de la Composició de l'Interior de la Estrella de Neutrons), un instrument de la NASA a bord de la EEI, dedicat especialment a l'astronomia de rajos X amb estrelles de neutrons.
La resolució de les imatges de NICER és tal que permet localitzar les regions més brillants dels rajos a la superfície de J0030 i, per tant, establir un mapa rudimentari. De fet, és un primer moment, perquè encara no s'havia realitzat amb cap estrella de neutrons. NICER també va permetre la primera mesura precisa de la massa i el radi de la mateixa estrella de neutrons i la primera determinació de la massa d’un púlsar aïllat. Aquesta informació és preciosa per limitar l'estat de la matèria dins d'una estrella de neutrons perquè aquest estat determina la relació entre la seva massa i el seu radi, així com el valor límit de la massa autoritzada (més enllà, la estrella hauria d’esdevenir un forat negre). Diversos equips d’investigadors acaben de publicar les conclusions que van treure de l’estudi de les dades recollides amb NICER per a J0030 en diversos articles a The Astrophysical Journal Letters.
És van trobar amb una sorpresa. La teoria púlsar estàndard preveia l'existència de dues regions especialment brillants diametralment oposades a la superfície de l'estrella de neutrons i properes als pols definits per l'eix de rotació de l'estel compacte. L’anàlisi de les dades mitjançant dos supercomputadors per part de dos equips independents va portar a la conclusió que les regions es troben totes a l’hemisferi sud i fins i tot que n’hi podria haver tres en lloc de dos, com s’explica a continuació. a sobre del vídeo que presenta les observacions de NICER sobre J0030.
És van trobar amb una sorpresa. La teoria púlsar estàndard preveia l'existència de dues regions especialment brillants diametralment oposades a la superfície de l'estrella de neutrons i properes als pols definits per l'eix de rotació de l'estel compacte. L’anàlisi de les dades mitjançant dos supercomputadors per part de dos equips independents va portar a la conclusió que les regions es troben totes a l’hemisferi sud i fins i tot que n’hi podria haver tres en lloc de dos, com s’explica a continuació. a sobre del vídeo que presenta les observacions de NICER sobre J0030.
Jocelyn Bell Burnell explica a l’Institut Perimetral el seu descobriment de púlsars el 1967 i
la seva notable carrera en física. Podeu triar l'idioma dels subtítols a la configuració
del vídeo. © Perimeter Institute for Theoretical Physics
la seva notable carrera en física. Podeu triar l'idioma dels subtítols a la configuració
del vídeo. © Perimeter Institute for Theoretical Physics
Camps magnètics més complexos del previst
Una de les idees bàsiques de la teoria del púlsar és que les estrelles de neutrons tenen un camp magnètic dipolar com el de la Terra o el Sol. Aquest dipol pot estar inclinat o no en relació amb l’eix de rotació de l’estrella que gira en el seu camp magnètic. Un efecte relativista fa que aquest camp magnètic es comporti com un camp elèctric molt intens a la superfície de les estrelles de neutrons. Aquest camp es descompon i accelera electrons que es mouran en el camp magnètic i produeixen parells electró-positró en cascada. Algunes d’aquestes partícules arribaran als pols magnètics del polsar i generaran zones especialment calentes allà, emetent raigs X.
Un equip d’investigadors de la Universitat d’Amsterdam va utilitzar per tant el supercomputador holandès Cartesius per arribar a la conclusió que hi ha dues d’aquestes regions però només a l’hemisferi sud (no hi hauria cap hemisferi nord), en forma de croissant. Un altre equip de la Universitat de Maryland (EUA) que utilitzava el supercomputador Deep Thinkt 2 va obtenir una interpretació de les dades amb tres regions calentes, però sempre a l’hemisferi sud. En ambdós casos, si els astrofísics tenen raó, el camp magnètic del púlsar és més complex del que imaginàvem i, per tant, multipolar.
És interessant esmentar que l’anàlisi dels raigs X emesos per J0030 comporta l’efecte de deflexió dels raigs de llum en la relativitat general que condueix a les famoses imatges del disc d’acreció d’un forat negre. Així, quan la massa d’una estrella de neutrons és prou elevada, mentre que una de les regions calentes que emeten raigs X quedaria temporalment enfosquida per la rotació de l’estrella, el seu camp de gravetat la fa visible desviant els raigs generats. La mida de l'estrella de neutrons també apareix més gran que en la física newtoniana per l'efecte de lent.
Una de les idees bàsiques de la teoria del púlsar és que les estrelles de neutrons tenen un camp magnètic dipolar com el de la Terra o el Sol. Aquest dipol pot estar inclinat o no en relació amb l’eix de rotació de l’estrella que gira en el seu camp magnètic. Un efecte relativista fa que aquest camp magnètic es comporti com un camp elèctric molt intens a la superfície de les estrelles de neutrons. Aquest camp es descompon i accelera electrons que es mouran en el camp magnètic i produeixen parells electró-positró en cascada. Algunes d’aquestes partícules arribaran als pols magnètics del polsar i generaran zones especialment calentes allà, emetent raigs X.
Un equip d’investigadors de la Universitat d’Amsterdam va utilitzar per tant el supercomputador holandès Cartesius per arribar a la conclusió que hi ha dues d’aquestes regions però només a l’hemisferi sud (no hi hauria cap hemisferi nord), en forma de croissant. Un altre equip de la Universitat de Maryland (EUA) que utilitzava el supercomputador Deep Thinkt 2 va obtenir una interpretació de les dades amb tres regions calentes, però sempre a l’hemisferi sud. En ambdós casos, si els astrofísics tenen raó, el camp magnètic del púlsar és més complex del que imaginàvem i, per tant, multipolar.
És interessant esmentar que l’anàlisi dels raigs X emesos per J0030 comporta l’efecte de deflexió dels raigs de llum en la relativitat general que condueix a les famoses imatges del disc d’acreció d’un forat negre. Així, quan la massa d’una estrella de neutrons és prou elevada, mentre que una de les regions calentes que emeten raigs X quedaria temporalment enfosquida per la rotació de l’estrella, el seu camp de gravetat la fa visible desviant els raigs generats. La mida de l'estrella de neutrons també apareix més gran que en la física newtoniana per l'efecte de lent.
Ho he vist aquí.
