El misterio de la formación de un magnetar, ¿resuelto?

[DonQuijote]

El misterio de la formación de un magnetar, ¿resuelto?

14 de mayo de 2014

Los magnetares son los extraños remanentes superdensos de explosiones de supernovas. Son los imanes más potentes conocidos en el universo — millones de veces más potentes que los imanes más fuertes de la Tierra. Utilizando el telescopio VLT (Very Large Telescope) de ESO, un equipo de astrónomos europeos cree haber hallado, por primera vez, a la estrella compañera de un magnetar. Este descubrimiento ayuda a explicar cómo se forman los magnetares — un enigma de hace 35 años — y por qué esta estrella particular no colapsó en agujero negro tal y como esperarían los astrónomos.

Cuando una estrella masiva colapsa por su propia gravedad durante una explosión de supernova, puede formar, o bien una estrella de neutrones o un agujero negro. Los magnetares son una forma inusual y muy exótica de estrella de neutrones. Como todos estos objetos extraños, son pequeños y extraordinariamente densos — una cucharadita de materia de estrella de neutrones tendría una masa de aproximadamente mil millones de toneladas — pero también tienen campos magnéticos extremadamente potentes. Las superficies de los magnetares liberan grandes cantidades de rayos gamma cuando atraviesan una etapa de ajuste repentino, conocida como un terremoto estelar (starquake), consecuencia de las enormes tensiones que tienen lugar en sus cortezas.

El cúmulo estelar Westerlund 1 [1], situado a 16.000 años luz de la Tierra, en la constelación austral de Ara (el Altar), alberga uno de las dos docenas de magnetares conocidos en la Vía Láctea. Se llama CXOU J164710.2-455216 y ha intrigado enormemente a los astrónomos.

"En nuestro anterior trabajo (eso1034) demostramos que el magnetar del cúmulo Westerlund 1 (eso0510) debe haber nacido de la explosiva muerte de una estrella con unas 40 veces la masa del Sol. Pero este hecho representa un problema en sí mismo, ya que se supone que, tras morir, las estrellas tan masivas colapsan para formar agujeros negros, no estrellas de neutrones. No entendíamos cómo podía haberse transformado en magnetar", afirma Simon Clark, autor principal del artículo que plasma estos resultados.

Los astrónomos propusieron una solución a este misterio. Sugirieron que el magnetar se formó por las interacciones de dos estrellas muy masivas en órbita una en torno a la otra, en un sistema binario tan compacto que encajaría dentro de la órbita de la Tierra alrededor del Sol. Pero, hasta ahora, no se había detectado ninguna estrella acompañante en la ubicación del magnetar en Westerlund 1, así que los astrónomos utilizaron el VLT para buscarlo en otras partes del cúmulo. Buscaron estrellas fugitivas — objetos que escapan del cúmulo a grandes velocidades — que podría haber sido expulsadas de la  órbita por la explosión de supernova que formó al magnetar. Se descubrió que una estrella, conocida como Westerlund 1-5 [2], parecía encajar perfectamente con lo que buscaban.

"No es sólo que esta estrella tenga la alta velocidad esperada si está siendo impulsada por una explosión de supernova, sino que además parece imposible replicar, en una estrella individual, las condiciones de baja masa, alta luminosidad y abundancia de carbono en la composición — un pista que indica que debe haberse formado, originalmente, con una compañera binaria", añade Ben Ritchie (Open University), coautor del nuevo artículo.

Este descubrimiento permitió a los astrónomos reconstruir la historia de la vida de la estrella que permitió la formación del magnetar en lugar del esperado agujero negro [3]. En la primera etapa de este proceso, la estrella más masiva de la pareja comienza a quedarse sin combustible, transfiriendo sus capas externas a su compañera menos masiva — que está destinada a convertirse en magnetar — haciendo que gire cada vez más rápido. Esta rápida rotación parece ser el ingrediente esencial en la formación del campo magnético ultra-fuerte del magnetar.

En la segunda etapa, como resultado de esta transferencia de masa, la propia compañera llega a ser tan masiva que, a su vez, desprende una gran cantidad de la masa recientemente adquirida. Gran parte de esta masa se pierde, pero una parte pasa de nuevo a la estrella original, la que todavía hoy vemos brillando y conocemos como Westerlund 1-5.

"Este proceso de intercambio de material ha sido el que ha proporcionado a Westerlund 1-5 su firma química única, y el que ha permitido que la masa de su compañera encoja a niveles lo suficientemente bajos como para que nazca un magnetar en lugar de un agujero negro — ¡una forma de pasarse la "patata caliente" con consecuencias cósmicas!", concluye Francisco Najarro (Centro de Astrobiología, España), miembro del equipo de investigación.

Por tanto, en la receta para formar un magnetar, parece que un ingrediente fundamental es ser una de las componentes de una estrella doble. La rápida rotación generada por la transferencia de masas entre las dos estrellas parece necesaria para generar el campo magnético ultra fuerte y, posteriormente, una segunda fase de transferencia de masa permite al futuro magnetar adelgazar lo suficiente como para no colapsar en agujero negro en el momento de su muerte.

Notas

[1] El cúmulo abierto Westerlund 1 fue descubierto en 1961 desde Australia por el astrónomo sueco Bengt Westerlund, que más tarde se trasladó desde allí para convertirse en Director de ESO en Chile (1970-74). Este cúmulo está detrás de una enorme nube interestelar de gas y polvo, que bloquea la mayor parte de su luz visible. El factor de atenuación es de más de 100.000, por eso ha llevado tanto tiempo descubrir la verdadera naturaleza de este cúmulo particular.

Westerlund 1 es un laboratorio natural único para el estudio de la física estelar extrema, ayudando a los astrónomos a descubrir cómo viven y mueren las estrellas más masivas de la Vía Láctea. De sus observaciones, los astrónomos deducen que este cúmulo extremo probablemente contiene no menos de 100.000 veces la masa del Sol, y todas sus estrellas se encuentran dentro de una región menos de 6 años luz. Westerlund 1 parece ser el cúmulo compacto joven más masivo identificado hasta el momento en nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Todas las estrellas analizadas hasta ahora en Westerlund 1 tienen masas de, al menos, 30-40 veces la del Sol. Dado que este tipo de estrellas tienen una vida muy corta — astronómicamente hablando — Westerlund 1 debe ser muy joven. Los astrónomos determinan una edad de entre 3,5 y 5 millones de años. Westerlund 1 es claramente un cúmulo recién nacido en nuestra galaxia.

[2] El nombre completo de esta estrella es Cl * Westerlund 1 W 5.

[3] A medida que las estrellas envejecen, sus reacciones nucleares cambiar su composición química — los elementos que alimentan las reacciones se agotan y se acumulan los productos generados por las reacciones. Esta huella química estelar es, primero, rica en hidrógeno y nitrógeno, pero pobre en carbono, y sólo aumenta la cantidad de carbono en fases muy tardías de la vida de las estrellas,  momento en el que se reducen considerablemente el hidrógeno y el nitrógeno — se cree que es imposible que estrellas individuales sean ricas, simultáneamente, en hidrógeno, nitrógeno y carbono, cosa que ocurre con Wd1-5.

Información adicional

La investigación que se presenta en esta nota de prensa de ESO aparecerá en breve en la revista de investigación Astronomy and Astrophysics ("A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1: IV.Wd1-5 binary product and a pre-supernova companion for the magnetar CXOU J1647-45" por J. S. Clark et al.). El mismo equipo publicó un primer estudio de este objeto en 2006 ("A Neutron Star with a Massive Progenitor in Westerlund 1" by M. P. Muno et al., Astrophysical Journal, 636, L41).
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El nodo español de la red ESON está representado por J. Miguel Mas Hesse y Natalia Ruiz Zelmanovitch.

Enlaces

    Artículo científico

Esta es una traducción de la nota de prensa de ESO eso1415.

Imágenes

Impresión artística del magnetar en el cúmulo estelar Westerlund 1

Esta impresión artística muestra al magnetar del rico cúmulo de estrellas muy jóvenes Westerlund 1. Este notable cúmulo contiene cientos de estrellas muy masivas, algunas con el brillo de casi un millón de soles. Astrónomos europeos han demostrado, por primera vez, que este magnetar — un tipo inusual de estrella de neutrones con un campo magnético extremadamente fuerte — se formó probablemente como parte de un sistema de estrellas binarias. El descubrimiento de la antigua compañera de la magnetar en otro lugar dentro del cúmulo ha ayudado a resolver el misterio de cómo una estrella que empezó siendo tan masiva podría convertirse en un magnetar, en lugar de colapsar en un agujero negro.

Crédito: ESO/L. Calçada Imagen eso1415a

El cúmulo estelar Westerlund 1 y las posiciones del magnetar y de la que, probablemente, fue su estrella compañera

Esta imagen del joven cúmulo estelar Westerlund 1 fue tomada con el instrumento Wide Field Imager, instalado en el telescopio MPG/ESO de 2,2 metros en el Observatorio La Silla de ESO, en Chile. Pese a que la mayor parte de las estrellas del cúmulo son estrellas supergiantes azules muy calientes, en esta imagen aparecen en colores rojizos debido a que su luz nos llega tras haber atravesado el gas y el polvo interestelar. Astrónomos europeos han demostrado, por primera vez, que el magnetar de este cúmulo — un tipo inusual de estrella de neutrones con un campo magnético extremadamente fuerte — se formó probablemente como parte de un sistema de estrellas binarias. El descubrimiento de la antigua compañera de la magnetar (Westerlund 1-5) en otro lugar dentro del cúmulo ha ayudado a resolver el misterio de cómo una estrella que empezó siendo tan masiva podría convertirse en un magnetar, en lugar de colapsar en un agujero negro.

Crédito: ESO Imagen eso1415b

Imagen de Westerlund 1 con el Wide Field Imager (sin anotaciones)

Esta imagen del joven cúmulo estelar Westerlund 1 fue obtenida con el Wide Field Imager del telescopio de 2,2 metros de MPG/ESO, en el Observatorio La Silla de ESO, en la IV Región de Chile. Este notable cúmulo contiene cientos de estrellas muy masivas, algunas que brillan con un resplandor similar a casi un millón de soles. Si bien la mayor parte de las estrellas en el cúmulo son calientes súper gigantes azules, aparecen rojizas en esta imagen pues son vistas a través del polvo y gas interestelares. Astrónomos europeos han demostrado por primera vez que el magnetar que se ubica en este cúmulo -un tipo inusual de estrella neutrones con un campo magnético extremadamente fuerte- se formó a partir de una estrella de al menos 40 veces la masa del Sol. El resultado presenta grandes desafíos a las actuales teorías sobre evolución estelar pues se esperaba que una estrella tan masiva como ésta se convirtiera en un agujero negro, no en un magnetar.

Crédito: ESO Imagen eso1415c

Visión de amplio campo del cielo alrededor del cúmulo Westerlund 1

Esta visión de amplio campo del sondeo Digitized Sky Survey 2 se centra en el cúmulo estelar Westerlund 1, en la constelación de Ara (el Altar). Este cúmulo puede verse como un denso grupo anaranjado en el centro de la imagen. Es muy joven y contiene estrellas azules calientes masivas y brillantes, pero su luz nos llega limitada y enrojecida debido a que ha debido atravesar una densa nube de gas y polvo que se encuentra entre el cúmulo y la Tierra. Se trata de una zona muy rica de la Vía Láctea y en ella pueden verse numerosas estrellas, así como abundantes nubes de polvo.

Crédito: ESO/Digitized Sky Survey 2; Acknowledgment: Davide De Martin Imagen eso1415d


Videos

Volando a través del joven cúmulo estelar Westerlund 1

Volando a través del joven cúmulo estelar Westerlund 1

Este video recorre el joven cúmulo estelar Westerlund 1 y nos acerca al extraño magnetar que se ubica en él. Este notable cúmulo contiene cientos de estrellas muy masivas, algunas que brillan con un resplandor similar a casi un millón de soles. Astrónomos europeos han demostrado por primera vez que el magnetar que se ubica en este cúmulo -un tipo inusual de estrella neutrones con un campo magnético extremadamente fuerte- se formó a partir de una estrella de al menos 40 veces la masa del Sol.

Crédito: ESO/L. Calçada Video eso1415a

[Manuel J.]

Muy interesante, parece ser que las estrellas dobles son más importantes de lo que se esperaba, que curioso. Incluso el sistema solar es un sistema doble fallido, como tantos otros de los que existen.

Gracias por compartir esta interesantisima noticia.

[Telescopio]