Investigadores de la UPC y del IAC descubren una de las estrellas de neutrones más masivas

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El púlsar masivo en el sistema binario PSR J2215+5135, ilustrado en la imagen, irradia la cara interna de su estrella compañera. Créditos: G.Pérez-Díaz/IAC

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Usando un método pionero, el equipo ha medido la velocidad de las dos caras de la estrella compañera. Créditos: G. Pérez-Díaz/IAC, R. Hynes.

Investigadores del grupo de investigación en Astronomía y Astrofísica de la UPC y del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) han encontrado, con un método pionero, una estrella de neutrones de unas 2,3 masas solares: una de las más masivas nunca detectadas. El estudio ha sido publicado el 23 de mayo, en la revista ‘The Astrophysical Journal’ (ApJ) y abre una nueva vía de conocimiento en muchos campos de la Astrofísica y la Física Nuclear.

24/05/2018

Las estrellas de neutrones (a menudo llamadas púlsares) son remanentes estelares que han llegado al final de la su vida evolutiva: ‘nacen’ de la muerte de una estrella de entre 10 y 30 masas solares. Pese a su pequeño tamaño (alrededor de los 20 kilómetros de diámetro), las estrellas de neutrones pueden presumir de contener más masa que el Sol; son, así, particularmente densas.

Investigadores de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) y del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) han conseguido medir, con un innovador método, la masa de una de las estrellas de neutrones más pesadas que se conocen. La estrella, descubierta en 2011 y denominada PSR J2215+5135, tiene unas 2,3 masas solares, una de les masas más grandes detectadas entre los más de 2.000 púlsares registrados actualmente. Aunque en un estudio publicado en 2011, un grupo de astrónomos había hallado indicios de otro púlsar muy masivo –de 2,4 masas solares–, la ‘masa récord’ con más consenso científico de un púlsar era, anteriormente, de 2 masas solares, basada en dos sistemas que se localizaron en los años 2010 y 2013.

La investigación ha sido liderada por Manuel Linares, investigador Marie-Curie del grupo de investigación en Astronomía y Astrofísica (GAA), vinculado al Departamento de Física de la UPC, en colaboración con los astrónomos Tariq Shahbaz y Jorge Casares, del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Para este estudio se han utilizado datos obtenidos con el Gran Telescopio Canarias (GTC) –el mayor telescopio óptico e infrarrojo del mundo–, el telescopio William Herschel (WHT), del Grupo de Telescopios Isaac Newton (ING), y el telescopio IAC80, así como modelos dinámicos de estrellas binarias con irradiación. El artículo, con el título ‘Peering into the dark side: magnesium lines establish a massive neutron star in PSR J2215+5135’, ha sido publicado en 'The Astrophysical Journal (ApJ)'.

Método de medición pionero
El equipo ha desarrollado, además, un nuevo método –más preciso que los utilizados hasta ahora– para medir masas de estrellas de neutrones (púlsares) en binarias compactas. Y es que la estrella de neutrones objeto del estudio forma parte de un sistema binario, en el que dos estrellas orbitan alrededor de un centro de masa común: en este caso, una estrella ‘normal’ –como el Sol– ‘acompaña’ a la estrella de neutrones. La estrella secundaria, o compañera, se ve fuertemente irradiada por la estrella de neutrones.

Cuánto más masiva es la estrella de neutrones, más rápido se mueve la estrella compañera para realizar la órbita. El método utilizado para establecer la masa del púlsar consiste en utilizar líneas espectrales de diferentes elementos químicos (hidrógeno, magnesio) para medir la velocidad con la que se mueve la estrella compañera. Esto ha permitido al equipo liderado por Manuel Linares medir por primera vez la velocidad de ambos lados de la estrella compañera (el lado irradiado y el lado ‘frío’), y demostrar que una estrella de neutrones puede tener más de dos veces la masa del Sol.

Este nuevo método supone, asimismo, la posibilidad de realizar estudios similares en una población de estrellas de neutrones que no para de crecer ya que, en los últimos 10 años, el telescopio de rayos gamma de la NASA Fermi-LAT ha revelado decenas de púlsares parecidos al analizado en este estudio, el PSR J2215+5135. El método, en principio, también se puede utilizar para medir la masa de agujeros negros y enanas blancas –remanentes de estrellas que mueren con más de 30 o menos de 10 masas solares, respectivamente– cuando éstos se encuentran en sistemas binarios parecidos, donde la irradiación es importante.

Más densas que un núcleo atómico
Poder determinar la masa máxima de una estrella de neutrones tiene consecuencias muy importantes para muchos campos de la Astrofísica, así como para la Física Nuclear. Las interacciones entre nucleones –las partículas (neutrones o protones) que componen el núcleo de un átomo –a altas densidades son uno de los grandes misterios de la Física actual. La gran densidad de las estrellas de neutrones las convierte en un laboratorio natural para estudiar los estados de la materia más densos y exóticos imaginables.

La investigación también apunta a que, para poder soportar el peso de 2,3 masas solares, la repulsión entre partículas en el núcleo de la estrella de neutrones tiene que ser suficientemente fuerte. Esto indicaría que es poco probable que podamos encontrar quarks libres u otras formas de materia ‘exóticas’ en el centro del púlsar.

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