Captan los pulsos en la llamarada magnética gigante de una estrella de neutrones

Un grupo científico encabezado por el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), y el Centro Birkelan para Ciencias del Espacio de la Universidad de Bergen (BCSS, Noruega), donde participa también una investigadora y profesora de la Universidad de Cádiz (UCA), ha publicado en la revista 'Nature' el estudio de una erupción que ha captado los pulsos en la llamarada magnética gigante de una estrella de neutrones durante los instantes de mayor energía, algo crucial para comprender las llamas de los magnetares.

Según ha explicado la UCA en un comunicado, entre las estrellas de neutrones, objetos que pueden contener medio millón de veces la masa de la Tierra en un diámetro de unos 20 kilómetros, destaca un pequeño grupo con el campo magnético más intenso conocido como los magnetares. Estos objetos, de los que apenas se conocen 30, sufren violentas erupciones aún poco conocidas debido a su carácter inesperado y a su corta duración, de apenas décimas de segundo.

El investigador del IAA-CSIC Alberto Castro-Tirado ha apuntado que "incluso en un estado inactivo, los magnetares pueden ser cien mil veces más luminosos que el sol, pero en el caso del destello que hemos estudiado, GRB2001415, que se produjo el 15 de abril de 2020 y que duró solo en torno a una décima de segundo, la energía que se liberó es equivalente a la energía que irradia nuestro Sol en 100 mil años". "Las observaciones revelaron múltiples pulsos, con un primero que apareció solo alrededor de decenas de microsegundos, mucho más veloz que otros fenómenos transitorios extremos", ha añadido.

En un estudio pionero publicado en el último número de Nature, los autores informan, por primera vez, de la fina estructura de la fase de explosión principal de un magnetar. "Durante el pico duro inicial, se observan dos oscilaciones cuasi-periódicas (QPO) de alta frecuencia prominentes", ha detallado el científico de la Universidad de Sabanci (Turquía) Ersin Gögüs. Castro-Tirado ha precisado que "es probable que esto cambie las reglas del juego en nuestra comprensión de las llamaradas gigantes de magnetar".

Se cree que las erupciones en los magnetares pueden deberse a inestabilidades en su magnetosfera o a una especie de terremotos producidos en su corteza, una capa de carácter rígido y elástico de alrededor de un kilómetro de espesor. "Independientemente del desencadenante, en la magnetosfera de la estrella se crearán un tipo de ondas, las ondas de Alfvén, que son bien conocidas en el Sol y que, mientras rebotan hacia adelante y hacia atrás entre los puntos de la base de sus líneas de campo magnético, interactúan entre sí disipando energía", ha detallado el científico del IAA-CSIC.

Las oscilaciones detectadas en la erupción son consistentes con la emisión que produce la interacción entre las ondas de Alfvén, cuya energía es rápidamente absorbida por la corteza. Así, en unos pocos milisegundos termina el proceso de reconexión magnética y, por lo tanto, también los pulsos detectados en GRB200415, que desaparecieron a los 3.5 milisegundos después del estallido principal. El análisis del fenómeno ha permitido estimar que el volumen de la llamarada fue similar o incluso mayor al de la propia estrella de neutrones.

La erupción fue detectada por el instrumento ASIM, a bordo de la Estación Espacial Internacional, que fue el único de un total de siete capaz de registrar la fase principal de la erupción en su rango completo de energía sin sufrir saturaciones. El equipo científico pudo resolver la estructura temporal del evento, una tarea "verdaderamente compleja" que implicó más de un año de análisis para unos datos correspondientes a un solo segundo de observación.

"La detección de oscilaciones cuasiperiódicas en GRB200415 ha supuesto todo un reto desde el punto de vista del análisis de señal. La dificultad radica en la brevedad de la señal, cuya amplitud decae rápidamente y queda embebida en el ruido de fondo y, al ser ruido correlado, resulta difícil distinguir la señal del ruido", ha destacado la investigadora del departamento de Estadística e investigación Operativa de la UCA, Carmen Sánchez Gil.

Ha precisado que "debemos este logro a las técnicas de análisis de datos e inferencia Bayesiana que se han aplicado por los distintos miembros del equipo, y también es un logro tecnológico por la excelente calidad de los datos proporcionados por el instrumento ASIM de la Estación Espacial Internacional".

Estas llamaradas se habían detectado en dos de los 30 magnetares conocidos en la Vía Láctea, pero también en otros dos situados en otras galaxias. GRB2001415 sería la erupción en un magnetar más distante captada hasta la fecha, al hallarse a unos 13 millones de años luz.

Según el científico de la BCSS Kjetil Ullaland, los hallazgos notables "fueron posibles debido a la gran área efectiva y la alta resolución de tiempo de ASIM". La electrónica sensible de ASIM ha permitido además a los científicos realizar investigaciones temporales y espectrales detalladas de las principales fases de la llamarada gigante.

El investigador Martino Marisaldi ha recalcado que "basándonos en la estructura temporal y la distribución de energía, distinguimos cuatro fases distintas durante la llamarada", añadiendo que "las variaciones espectrales repentinas encontradas en una escala de tiempo tan corta proporcionan otra visión crucial del rompecabezas".

El segundo autor y lider de BCSS Nikolai Ostgaard ha adelantado que "se han publicado varios artículos sobre la explosión del 15 de abril, utilizando datos del telescopio espacial de rayos gamma Fermi, Konus WIND y la misión Swift Gamma-Ray Burst". "Como ASIM fue la única misión que detectó la fase de explosión principal en todo el rango de energía de los fotones sin saturación, coloca al instrumento en una posición única", ha aseverado.

Esta erupción ha proporcionado un componente crucial para comprender cómo se producen las tensiones magnéticas dentro y alrededor de una estrella de neutrones. El monitoreo continuo de magnetares en galaxias cercanas ayudará a comprender este fenómeno, y también allanará el camino para aprender más sobre las ráfagas de radio rápidas, a día de hoy uno de los fenómenos más enigmáticos de la astronomía.

LOS MAGNETARES Y LAS ESTRELLAS DE NEUTRONES

Lo que le da vida a una estrella es la fusión nuclear de hidrógeno para formar helio en su núcleo. Dependiendo de su masa, se quedan sin combustible después de millones o miles de millones de años. En este punto, las estrellas masivas con diez a 25 masas solares explotan, como supernovas, y pueden dejar sus núcleos colapsados como remanentes compactos. Las condiciones extremas cuando se trata, por ejemplo, de presión y densidad, hacen que los protones y electrones se combinen en neutrones, de ahí el nombre de estrella de neutrones.

Al ser la clase más pequeña de objetos estelares, pero con una masa de aproximadamente 1,4 masas solares, las estrellas de neutrones son extremadamente densas. Estas estrellas también pueden girar varios cientos de veces por segundo y poseen campos magnéticos muy fuertes. Si bien la intensidad del campo magnético de la Tierra varía de 0,25 a 0,65 Gauss, y la intensidad del campo magnético del Sol en promedio es de alrededor de un Gauss, es notable encontrar que el campo magnético en las estrellas de neutrones típicas varía de diez millones a un billón de Gauss.

Una magnetar es un tipo raro de estrella de neutrones que posee campos magnéticos extremadamente fuertes (hasta alrededor de un cuatrillón gauss), dando lugar a ráfagas muy enérgicas y características de rayos X y rayos gamma. En la Vía Láctea hay pocos miles de estrellas de neutrones. De ellos, solo se sabe que 30 son magnetares. Las llamaradas gigantes de Magnetar son tan brillantes que, cuando provienen de nuestra galaxia, saturan todos los instrumentos, lo que dificulta su investigación.