Una supercomputadora recreó un parpadeo imposiblemente brillante "pulsar de monstruo"
La fuente de energía central de las fuentes de rayos X ultra luminosos pulsantes enigmáticos ULX podría ser una estrella de neutrones según las simulaciones numéricas realizadas por un grupo de investigación dirigido por Tomohisa Kawashima en el Observatorio Astronómico Nacional de Japón NAOJ.
Se pensaba que los ULX, que son fuentes de rayos X notablemente brillantes, estaban alimentados por agujeros negros. Pero en 2014, el telescopio espacial de rayos X "NuSTAR" detectó emisiones pulsadas periódicas inesperadas en un ULX llamado M82 X-2.El descubrimiento de este objeto llamado "ULX-pulsar" ha desconcertado a los astrofísicos. Los agujeros negros pueden ser lo suficientemente masivos como para proporcionar la energía necesaria para crear ULX, pero los agujeros negros no deberían ser capaces de producir emisiones pulsadas. En contraste, los "púlsares"tipo de estrella de neutrones, llevan el nombre de las emisiones pulsadas que producen, pero son mucho más débiles que las ULX. Se necesita una nueva teoría para explicar "ULX-pulsar".
Se cree que los ULX son causados por un objeto con fuerte gravedad que acumula gas de una estrella compañera. A medida que el gas cae hacia el objeto, colisiona con otro gas. Estas colisiones calientan el gas hasta que se calienta lo suficiente como para comenzar a brillar.Los fotones en este caso, rayos X emitidos por este gas luminoso son lo que los astrónomos realmente observan, pero a medida que los fotones se alejan del centro, empujan contra el gas entrante, disminuyendo el flujo de gas hacia el centro. Esta fuerza se llamala fuerza de la presión de radiación. A medida que cae más gas sobre el objeto, se calienta y se vuelve más brillante, pero si se vuelve demasiado brillante, la presión de radiación disminuye el gas que cae tanto que crea un "atasco". Este atasco limita la velocidad aqué gas nuevo puede agregar energía adicional al sistema y evita que se vuelva más brillante. Este límite superior de luminosidad, en el cual la presión de radiación equilibra la fuerza gravitacional, se llama luminosidad de Eddington.
La luminosidad de Eddington está determinada por la masa del objeto. Debido a que los púlsares tienen masas cientos de miles de veces menos que los agujeros negros que se cree que alimentan los ULX, sus luminosidades de Eddington son mucho más bajas de lo que se necesitaría para dar cuenta de los ULX brillantesPero Kawashima y su equipo comenzaron a preguntarse si podría haber una forma de que los púlsares eviten el atasco de tráfico causado por la luminosidad de Eddington. "Los astrofísicos han estado tan perplejos", explica, "puede ser difícil mantener un estado súper críticoacreción en estrellas de neutrones porque las estrellas de neutrones tienen superficies sólidas, a diferencia de los agujeros negros. Fue un gran desafío dilucidar cómo realizar una acreción supercrítica en estrellas de neutrones que exhiben emisiones pulsadas ".
Para los púlsares normales, los investigadores usan un modelo de "columnas de acreción" donde el gas que cae es guiado por el fuerte campo magnético del púlsar para que aterrice en los polos magnéticos. Si el polo magnético está desalineado con el eje de rotación de la estrella de neutrones comocómo el 'norte magnético' es diferente del 'norte verdadero' en la Tierra, entonces la ubicación del polo magnético girará alrededor del eje de rotación a medida que gira la estrella de neutrones. Si el polo magnético apunta hacia la Tierra, nos parece brillante, perocuando gira lejos, las emisiones parecen desaparecer. Esto es similar a cómo un faro parece parpadear a medida que gira la dirección de su haz.
Para abordar el misterio del púlsar ULX, Kawashima y su equipo realizaron simulaciones para ver si hay alguna forma en que las columnas de acumulación de gas puedan fluir suavemente sin un atasco y volverse cientos de veces más brillantes que la luminosidad de Eddington ".Nadie sabía si la acumulación de columna supercrítica podría realmente realizarse en una estrella de neutrones ", explica Shin Mineshige en la Universidad de Kyoto," Fue un problema difícil porque necesitábamos resolver simultáneamente las ecuaciones de hidrodinámica y transferencia radiativa, lo que requería un número numérico avanzadotécnicas y poder computacional ". En la década de 1970, algunos astrofísicos abordaron brevemente el cálculo de columnas de acreción supercrítica moderada no extremadamente, sin embargo tuvieron que hacer muchas suposiciones para que los cálculos fueran viables". Pero gracias a los recientes desarrollos en técnicasy recursos informáticos ", dice Ken Ohsuga en NAOJ," ahora estamos en los albores de la era de las simulaciones de radiación-hidrodinámica ". Los códigos ya estánsed para estudios centrados en simulaciones de agujeros negros.Por lo tanto, impulsado por el descubrimiento de ULX-pulsar, este equipo aplicó su código hidrodinámico de radiación para simular columnas de acreción supercríticas sobre estrellas de neutrones, y realizó las simulaciones en la supercomputadora NAOJ "ATERUI".
El equipo descubrió que en realidad es posible que el gas que cae evite un embotellamiento inducido por la luminosidad de Eddington en una acumulación de columna súper crítica. En sus simulaciones, el gas acumulador forma un frente de choque cerca de la estrella de neutrones. Aquí, una gran cantidadde la energía cinética del gas que cae se convierte en energía térmica. El gas justo debajo de la superficie de choque se calienta rápidamente por esta energía y emite una gran cantidad de fotones. Pero en lugar de empujar contra el gas que cae como lo sugirieron los modelos anteriores,los fotones se dirigen hacia los lados de la columna. Esto significa que sin un atasco de tráfico, más gas puede caer rápidamente, ser calentado por el frente de choque y producir más fotones, de modo que el proceso no se vea obligado a disminuir la velocidad.
El modelo del equipo NAOJ puede explicar las características observadas de ULX-pulsar: una alta luminosidad y haces de fotones dirigidos que parecerán parpadear a medida que la estrella de neutrones gira. Sorprendentemente, la dirección de los haces de fotones está en ángulo rectolos rayos polares esperados en un modelo de púlsar estándar. Esta es la primera simulación que respalda la idea de que el motor central del púlsar ULX es una estrella de neutrones.
Este equipo planea desarrollar aún más su trabajo utilizando este nuevo modelo de faro para estudiar las características de observación detalladas del ULX-pulsar M82 X-2 y explorar otros candidatos ULX-pulsar.
Esta investigación fue apoyada en parte por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia a través de Subvenciones para la Investigación Científica No. 26400229, 15K05036 y MEXT SPIRE y JICFuS como un tema prioritario Aclaración de las leyes fundamentales y la evolucióndel universo que se abordarán utilizando la computadora Post K.
Su artículo titulado "Un modelo hidrodinámico de radiación de columnas de acreción para el pulsar de rayos X ultraluminoso" aparecerá en Publicaciones de la Sociedad Astronómica de Japón el 8 de septiembre de 2016.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Observatorio Astronómico Nacional de Japón . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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