Descubren un posible nuevo tipo de estrella

Gracias a un nuevo fotómetro de alta velocidad, un equipo de científicos, entre los que hay una investigadora de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) y el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña, ha descubierto una nueva categoría desconocida de objetos astronómicos. Podría tratarse de un magnetar con estallidos en la parte visible del espectro, en vez de los flashes de rayos X y gamma característicos de estos objetos. La investigación se publicará en un artículo en la revista científica Nature, el próximo 25 de septiembre.

La noche del 10 de junio de 2007, Alexander Stefanescu y su equipo estaban de guardia junto al Optima, un fotómetro montado en el telescopio de 1,3 metros del observatorio de Skinakas, 1.750 m por encima del mar que baña las playas de la isla de Creta. El desarrollo de Optima había llevado años de trabajo en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE), en Garching (Múnich, Alemania), y después de trasladar su tesoro hasta Grecia e instalarlo en el telescopio, empezaban la segunda temporada de observaciones en Skinakas. Como el año anterior, el equipo debía pasar semanas en la montaña, cada noche en el telescopio, a la espera de recibir el aviso de un nuevo estallido de rayos gamma (gamma-ray burst, GRB) y hacer uso de las cualidades excepcionales de Optima, el único instrumento en el mundo que combina una alta resolución temporal con la capacidad de observar inmediatamente acontecimientos astronómicos inesperados.

Aquella noche, el aviso del descubrimiento del nuevo objeto fue recibido directamente desde el satélite Swift de la NASA. Advertía de un breve estallido de altas energías en el cielo, muy probablemente, un nuevo GRB. Alexander Stefanescu y su equipo actuaron inmediatamente. Interrumpieron las observaciones programadas para aquella noche, reorientaron el telescopio y empezaron a observar la zona del cielo donde se había localizado la erupción de rayos gama tan sólo 421 segundos después de ser detectado por el satélite Swift. En un primer momento, no encontraron nada. ¡Pero poco después vieron el primer flash de luz! Se dieron cuenta rápidamente de que lo que estaban observando no era un estallido de rayos gamma normal, que son brillantes inicialmente y se van apagando progresivamente en unas horas o días. En este caso, los astrónomos observaron flashes repentinos y brillantes. Los resultados fueron cada vez más sorprendentes al comprobar que la actividad de la nueva fuente estelar no había disminuido la noche siguiente, sino que en realidad se había incrementado, sin llegar a apagarse del todo durante varias noches. El nuevo objeto fue bautizado con el nombre de SWIFT J195509+261406.

Al examinar la radiación emitida durante el estallido de rayos X, el equipo de Stefanescu, entre los que se encuentra Glòria Sala, que se ha incorporado este mes de septiembre al Grupo de Astronomía y Astrofísica de la UPC (de los Departamentos de Física e Ingeniería Nuclear y de Física Aplicada), vieron que una parte de los rayos X había sido absorbida por el gas hidrógeno que los fotones atraviesan en su camino hacia la Tierra. Después de obtener mapas del gas presente en la dirección de la fuente, quedó claro que el nuevo objeto se encontraba muy probablemente situado dentro de nuestra propia galaxia. Eso implicaba que no se podía tratar en ningún caso de un estallido de rayos gamma (GRB), ya que éstos suelen suceder sólo en galaxias lejanas.

La novedad más importante fue proporcionada por las cualidades especiales del instrumento Optima. En lugar de obtener imágenes durante un cierto tiempo de exposición, como la mayoría de cámaras, los detectores del aparato registran el tiempo de llegada de cada fotón individual, con una resolución temporal de tan sólo cuatro millonésimas de segundo. Eso permite a los científicos reconstruir con detalle cómo varía el brillo de un objeto en el cielo. La detección de fotones individuales es una práctica común en la astronomía de altas energías, pero Optima es uno de los pocos instrumentos capaces de hacer lo mismo con luz visible. La rápida y fuerte variabilidad del objeto, observable sólo con una alta resolución temporal, ha sido crucial para descartar que el objeto sea un GRB clásico.

La variabilidad de la emisión detectada ha permitido determinar que el tamaño del nuevo astro tiene que ser más pequeño que una décima parte del tamaño del Sol, pero al mismo tiempo, un centenar de veces más brillante. Suponiendo que la emisión fuera de origen térmico como en el caso del Sol, harían falta unas temperaturas extraordinariamente altas para explicar la gran luminosidad del objeto. “De hecho, es tan brillante, que es difícil pensar que un objeto de este tamaño se pueda calentar y enfriar tanto en tan poco tiempo”, explica Alexander Stefanescu, primer autor del artículo de Nature. “La única conclusión posible es que lo que hemos observado sea generado por un proceso no térmico, es decir, luz que no es generada por un objeto caliente como una bombilla o una vela, sino por partículas aceleradas en un campo magnético.”

Campos magnéticos muy potentes

La observación de flashes cortos y brillantes durante diversos días recuerda a los científicos la emisión no térmica de los estallidos en altas energías de los llamados repetidores de rayos gamma suaves (soft gama repeaters, SGR). No sólo la forma, sino también la distribución estadística de la intensidad de los flashes individuales, así como la ligera indicación de una emisión periódica, son bastante parecidas a lo que se observa en los SGR. Por lo tanto, los científicos piensan que el nuevo objeto descubierto podría ser de la misma naturaleza que los SGR: un magentar, es decir, un tipo especial de estrella de neutrones joven con campos magnéticos extraordinariamente potentes. Esta hipótesis está reforzada por un segundo artículo sobre observaciones en multilongitud de onda de este mismo objeto, publicado también en Nature por el equipo dirigido por Alberto Castro-Tirado, del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC, Granada).

Las estrellas de neutrones son el residuo final de una estrella muy masiva que ha expulsado las capas externas durante una explosión de supernova. El núcleo de la estrella se contrae hasta formar una estructura muy densa, con una corteza sólida y un núcleo líquido formado básicamente por neutrones. Si una estrella de neutrones acabada de nacer gira muy rápidamente sobre sí misma, su fuerte campo magnético se ve amplificado un factor 1.000, y da como resultado un campo magnético de unos 100 gigatesla, que es más de un billón de veces más fuerte que los campos magnéticos más potentes generados en laboratorios terrestres. El campo magnético es tan fuerte que las nubes electrónicas de los átomos de sus alrededores se distorsionan hasta quedar en forma de agujas delgadas. Y si acercáramos una tarjeta de crédito a una distancia como de la Tierra a la Luna, quedaría borrada automáticamente.

Los cambios en la configuración del campo magnético durante los primeros 10.000 años de vida de la estrella de neutrones ejercen fuerzas tan grandes que la corteza de la estrella de neutrones se calienta y llega a romperse. El resultado es un terremoto estelar en la superficie de la estrella, que produce los estallidos de radiación de altas energías característicos de los magnetares, y que son muy similares a los flashes visibles del nuevo objeto.

Sin embargo, ¿qué mecanismo hace emitir este objeto peculiar en la parte visible del espectro electromagnético, en vez de emitir en rayos gamma como todos los magnetares conocidos? Una posible teoría es que los iones altamente cargados son arrancados de la superficie del magnetar y giran a lo largo de las líneas del campo magnético. Puesto que los iones son mucho más pesados que los electrones (responsables de la emisión a altas energías de los magnetares), giran mucho más lentamente que éstos, y emiten radiación electromagnética de más baja energía, es decir, en el rango visible.

Hasta ahora, la mayoría de observaciones de magnetares se han producido en condiciones de altas energías (rayos X y gamma). “Hoy en día conocemos unos 15 magnetares, pero hasta ahora no se habían observado estallidos en luz visible en ningún caso”, afirma Glòria Sala. “Los modelos teóricos se habían centrado hasta ahora en explicar la emisión en altas energías. Por eso no tenemos en este momento ninguna teoría adecuada con la que comparar los resultados obtenidos con Optima.” El próximo paso de los científicos será, por lo tanto, extender las teorías establecidas por los magnetares y encontrar la manera de explicar la emisión de luz visible observada.