Mapean vientos racheados en un sistema lejano de estrellas de neutrones

Los astrónomos del MIT mapearon los "vientos de disco" asociados con el disco de acreción alrededor de Hércules X-1, un sistema en el que una estrella de neutrones extrae material de una estrella similar al Sol, representada como la esfera verde azulado. - JOSE-LUIS OLIVARES, MIT.

   MADRID, 10 Abr. (EUROPA PRESS) -

   Astrónomos del MIT han cartografiado los 'vientos de disco' asociados al disco de acreción de Hércules X-1, un sistema donde una estrella de neutrones extrae material de una estrella como el Sol.

   Los hallazgos, publicados en la revista 'Nature Astronomy', pueden ofrecer pistas sobre cómo los agujeros negros supermasivos dan forma a galaxias enteras.

   Un disco de acreción es un enorme remolino de gas y polvo que se amontona alrededor de un agujero negro o de una estrella de neutrones como si fuera algodón de azúcar, a medida que atrae material de una estrella cercana. Al girar, el disco levanta poderosos vientos que empujan y tiran del plasma en rotación. Estos flujos masivos pueden afectar al entorno de los agujeros negros calentando y expulsando el gas y el polvo que los rodean.

   A escalas inmensas, los 'vientos de disco' pueden ofrecer pistas sobre cómo los agujeros negros supermasivos dan forma a galaxias enteras. Los astrónomos han observado indicios de vientos de disco en muchos sistemas, incluidos agujeros negros en acreción y estrellas de neutrones. Pero hasta la fecha sólo habían vislumbrado una visión muy limitada de este fenómeno.

   Ahora, los astrónomos han observado una franja más amplia de vientos, en Hércules X-1, un sistema en el que una estrella de neutrones está extrayendo material de una estrella similar al Sol. El disco de acreción de esta estrella de neutrones es único, ya que se tambalea o precesa a medida que gira. Aprovechando esta oscilación, los astrónomos han captado distintas perspectivas del disco giratorio y han creado, por primera vez, un mapa bidimensional de sus vientos.

   El nuevo mapa revela la forma vertical y la estructura del viento, así como su velocidad: alrededor de cientos de kilómetros por segundo, o alrededor de un millón de millas por hora, que está en el extremo más suave de lo que los discos de acreción pueden girar.

   Si los astrónomos pueden detectar más sistemas bamboleantes en el futuro, la técnica de cartografía del equipo podría ayudar a determinar cómo influyen los vientos de disco en la formación y evolución de los sistemas estelares, e incluso de galaxias enteras.

   "En el futuro, podríamos cartografiar los vientos de disco en una serie de objetos y determinar cómo cambian las propiedades del viento, por ejemplo, con la masa de un agujero negro, o con la cantidad de material que está acumulando --explica Peter Kosec, postdoctorando en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT--. Eso ayudará a determinar cómo influyen los agujeros negros y las estrellas de neutrones en nuestro universo".

   Los vientos de disco se han observado con mayor frecuencia en binarias de rayos X, sistemas en los que un agujero negro o una estrella de neutrones atrae material de un objeto menos denso y genera un disco candente de materia inspiradora, junto con un viento de salida.

   No está claro exactamente cómo se lanzan los vientos desde estos sistemas. Algunas teorías proponen que los campos magnéticos podrían destrozar el disco y expulsar parte del material hacia el exterior en forma de viento. Otras sostienen que la radiación de la estrella de neutrones podría calentar y evaporar la superficie del disco en ráfagas de viento al rojo vivo.

   A partir de su estructura pueden deducirse pistas sobre el origen del viento, pero la forma y el alcance de los vientos de disco han sido difíciles de resolver. La mayoría de las estrellas binarias producen discos de acreción de forma relativamente uniforme, como finas rosquillas de gas que giran en un único plano.

   Los astrónomos que estudian estos discos desde satélites o telescopios lejanos sólo pueden observar los efectos de los vientos de disco dentro de un rango fijo y estrecho, relativo a su disco giratorio. Cualquier viento que los astrónomos consigan detectar es, por tanto, una pequeña porción de su estructura mayor.

   "Sólo podemos sondear las propiedades del viento en un único punto, y estamos completamente ciegos a todo lo que hay alrededor de ese punto", señala Kosec.

   En 2020, él y sus colegas se dieron cuenta de que un sistema binario podía ofrecer una visión más amplia de los vientos de disco. Hércules X-1 se ha distinguido de la mayoría de las binarias de rayos X conocidas por su disco de acreción deformado, que se bambolea al girar alrededor de la estrella de neutrones central del sistema.

   "El disco se tambalea cada 35 días, y los vientos se originan en alguna parte del disco y cruzan nuestra línea de visión a diferentes alturas sobre el disco con el tiempo --explica Kosec--. Esa es una propiedad muy singular de este sistema que nos permite comprender mejor sus propiedades de viento vertical".

   En el nuevo estudio, los investigadores observaron Hércules X-1 utilizando dos telescopios de rayos X: el XMM Newton de la Agencia Espacial Europea y el Observatorio Chandra de la NASA.

   "Lo que medimos es un espectro de rayos X, es decir, la cantidad de fotones de rayos X que llegan a nuestros detectores, frente a su energía. Medimos las líneas de absorción, o la falta de luz de rayos X a energías muy específicas --apunta Kosec--. A partir de la relación entre la intensidad de las distintas líneas, podemos determinar la temperatura, la velocidad y la cantidad de plasma dentro del disco de viento".

   Con el disco alabeado de Hércules X-1, los astrónomos pudieron ver la línea del disco moviéndose hacia arriba y hacia abajo a medida que se bamboleaba y giraba, de forma similar a como un disco alabeado parece oscilar cuando se ve de canto. El efecto fue tal que los investigadores pudieron observar señales de vientos en el disco a alturas cambiantes con respecto al disco, en lugar de a una altura única y fija sobre un disco en rotación uniforme.

   Al medir las emisiones de rayos X y las líneas de absorción a medida que el disco oscilaba y giraba con el tiempo, los investigadores pudieron escanear propiedades como la temperatura y la densidad de los vientos a distintas alturas con respecto a su disco y construir un mapa bidimensional de la estructura vertical del viento.

   "Lo que vemos es que el viento se eleva desde el disco, en un ángulo de unos 12 grados con respecto al disco a medida que se expande en el espacio --señala Kosec--. También se está volviendo más frío y más grumoso, y más débil a mayor altura sobre el disco".

   El equipo planea comparar sus observaciones con simulaciones teóricas de varios mecanismos de lanzamiento del viento, para ver cuál podría explicar mejor los orígenes del viento. Más adelante, esperan descubrir más sistemas alabeados y bamboleantes, y cartografiar sus estructuras de viento en el disco. Así, los científicos podrían tener una visión más amplia de los vientos de disco y de cómo influyen en su entorno, sobre todo a escalas mucho mayores.

    "¿Cómo afectan los agujeros negros supermasivos a la forma y estructura de las galaxias? --plantea Erin Kara, Profesora Adjunta de Física de la promoción de 1958 del MIT--. Una de las hipótesis principales es que los vientos de disco, lanzados desde un agujero negro, pueden afectar al aspecto de las galaxias. Ahora podemos obtener una imagen más detallada de cómo se lanzan estos vientos y qué aspecto tienen".