Pulsar (“Pulsating Radio Source”)
Un breve recorrido sobre el descubrimiento de este tipo de estrella de neutrones de apariencia tan curiosa y sus principales implicaciones.
— Por Nero Sánchez Sánchez, estudiante de Física en la Universidad de Extremadura.
¿Qué es un púlsar?
Un púlsar es una estrella de neutrones altamente magnetizada que rota sobre sí misma a gran velocidad y emite radiación electromagnética. Este haz de emisión es detectado con cierta periodicidad, pues puede ser únicamente observado cuando el haz de emisión apunta en la dirección del observador. Esto es lo que se conoce como efecto faro.
Las estrellas de neutrones son muy densas y masivas y tienen periodos rotacionales muy cortos y regulares. Esto produce que los intervalos de tiempo entre los haces de emisión sean increíblemente precisos, abarcando el rango desde milisegundos hasta segundos. Por ello, la observación de dichos objetos astronómicos tiene una gran relevancia en el campo de estudio de la astrofísica, pues son relojes cosmológicos especialmente precisos.
Como veremos más adelante, la existencia de ondas gravitacionales fue confirmada gracias a las observaciones que se realizaron de un púlsar perteneciente a un sistema binario de estrellas de neutrones.
Y los primeros exoplanetas fueron descubiertos orbitando un púlsar.
Formación.
Una supernova es una poderosa y luminosa explosión que se produce tras la denominada muerte de una estrella. Este evento astronómico ocurre durante las últimas fases de evolución de una estrella masiva o cuando la compresión del núcleo de una enana blanca desemboca en una reacción de fusión nuclear en cadena.
Cuando una estrella masiva llega al final de su vida y consume todo el combustible que alimenta las reacciones nucleares que se producen en su interior, la presión que estas ejercen desde el interior de la estrella hacia el exterior deja de ser suficiente para contrarrestar la enorme atracción gravitatoria que la masa de la estrella ejerce sobre sí misma. La estrella, entonces, comienza a comprimirse mientras las capas superficiales son expulsadas al exterior en forma de una gran explosión llamada supernova. Lo que queda tras esta catastrófica explosión es el núcleo de la estrella, que es lo que llamamos estrellas de neutrones.
Estas son tan densas que si quisieras saltar un metro de altitud sobre su superficie volverías a tocar el suelo en un tiempo de 0.000001s a una velocidad de 2.8 millones de km/h, más o menos.
En la figura 3 podemos ver el Púlsar PSR B0531+21, capturado por el telescopio espacial Hubble, situado en la nebulosa del Cangrejo. Se pueden observar las ondas de choque en el polvo de la nebulosa generadas por él.
Sobre el momento angular de la estrella formada.
La estrella de neutrones formada conserva la mayor parte de su momento angular. Al tener una pequeñísima porción del radio de su estrella progenitora, se forma con una grandísima velocidad de rotación. Esto se explica por una reducción del momento de inercia.
El haz de emisión es emitido en el eje magnético, que no tiene por qué coincidir con el eje de rotación (Figura 4). Este desalineamiento es lo que produce que este haz sea detectado una vez cada rotación completa, lo que explica su apariencia natural pulsante.
Descubrimiento.
El primer púlsar fue descubierto por Jocelyn Bell (Figura 5), —podéis saber más sobre ella aquí — cuando analizaba datos recogidos en forma de ondas radio recogidos por un radio telescopio, en cuyo desarrollo Bell había trabajado de forma directa. Inicialmente, estas detecciones fueron ignoradas y catalogadas por el supervisor de Jocelyn, Antony Hewish, desarrollador principal del telescopio, como interferencias de radio. El hecho de que estas interferencias apareciesen siempre en las mediciones con la misma ascensión recta y declinación indicó que se trataba de ondas electromagnéticas emitidas desde una fuente extra-terrestre.
El 28 de noviembre de 1967, Bell y Hewish usando un instrumento de grabación rápida resolvieron estas señales como series de pulsos, separados temporalmente por exactamente 1.33 segundos. Ningún objeto astronómico observado hasta ese momento encajaba con la naturaleza del observado.
El 21 de diciembre, Bell descubrió un segundo púlsar, que desembocó en especulación y la conspiración de que estas señales podrían estar siendo emitidas por vida inteligente extra-terrestre.
Little Green Men
Cuando se realizaron más observaciones mediante otros telescopios se pudo eliminar la hipótesis de que estas fueran producidas por algún error de los instrumentos. En este momento, Bell y Hewish habían anunciado lo siguiente:
“We did not really believe that we had picked up signals from another civilization, but obviously the idea had crossed our minds and we had no proof that it was an entirely natural radio emission. It is an interesting problem—if one thinks one may have detected life elsewhere in the universe, how does one announce the results responsibly?»
“Nunca creímos que habíamos detectado señales de otra civilización, aún así obviamente la idea cruzó por nuestras cabezas ya que no teníamos pruebas suficientes para concretar que todas las señales captadas eran de origen ondas de radio. Es un problema interesante: si alguien cree fervientemente que ha detectado señales de otra civilización, ¿cómo podría comunicar los resultados al mundo de forma responsable?”
Aún así bautizaron la señal como LGM (“little green men”) haciendo apología a la sospecha de que la señal hubiese sido emitida por vida inteligente extra-terrestre.
Ondas gravitacionales.
En 1974, Joseph Hooton Taylor y Russell Hulse descubrieron el primer púlsar en un sistema binario: PSR B1913+16. Este púlsar orbita otra estrella de neutrones con un periodo orbital de 8 horas.
La Teoría de la Relatividad de Einstein predecía que un sistema como este debía de producir ondas gravitacionales, causando que la órbita se contrajese de forma continua tras ir perdiendo energía. Observaciones de este sistema binario pronto confirmaron esta predicción, facilitando la primera evidencia de la existencia de ondas gravitacionales.
Taylor y Hulse fueron galardonados con un premio nobel en física, en 1993, por el descubrimiento de este púlsar.
Apagado (Turn off) o death line.
La emisión de ondas electromagnéticas en púlsares es el resultado de la energía asociada a la rotación de esta estrella de neutrones, que genera un campo eléctrico por el movimiento del potente campo magnético, que resulta en la aceleración de protones y electrones en la superficie de la estrella y la creación de los haces de emisión electromagnética desde sus polos magnéticos.
Observaciones realizadas por NICER, indicaron que ambos haces de emisión se originan desde lo que se denomina hotspots, situados en el polo sur de la estrella. Puede haber hasta más de 2 en una sola estrella.
Esta rotación disminuye según se produce la emisión de ondas electromagnéticas. Cuando el periodo de una estrella disminuye lo suficiente, se teoriza que el mecanismo de radio (emisión de ondas electromagnéticas) se apaga, lo que se denomina como death line (traducido como fecha límite de la vida de la estrella).
Este apagado se localiza temporalmente a partir de los 10-100 millones de años, lo que significa que el 99% de las estrellas de neutrones, nacidas cuando el universo tenía 13.6 mil millones de años, que “pulsaban”, se han apagado, es decir, han pasado por su línea de muerte.
Referencias
https://en.wikipedia.org/wiki/Pulsar
https://arxiv.org/abs/1912.05702
https://arxiv.org/abs/2111.01814
https://youtu.be/BQYJWEdLhI4
https://youtu.be/dHDc43N1wME
https://youtu.be/68gyVB2DSPM
https://youtu.be/AVGNWfKP9VM
