Púlsares: estrellas de neutrones rotantes que emiten radiación pulsada
Descubre los púlsares: estrellas de neutrones que giran a gran velocidad y emiten radiación pulsada; origen, descubrimiento y su impacto en la astronomía.
Los púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente y emiten radiación electromagnética concentrada en uno o dos haces estrechos. Debido a su rotación, esos haces barren el espacio como el haz de un faro y, cuando apuntan hacia la Tierra, percibimos la emisión como pulsos regulares. Las estrellas de neutrones tienen una densidad y una gravedad extremas, radios del orden de 10–15 km y masas comparables a la del Sol; esas condiciones permiten períodos de giro muy cortos y extremadamente estables, con intervalos entre pulsos que van desde milisegundos hasta varios segundos para un púlsar individual.
Formación y características básicas
Los púlsares se forman al final de la vida de estrellas masivas que explotan como supernovas. El colapso del núcleo produce una estrella de neutrones compacta con un campo magnético muy intenso. La conservación del momento angular acelera la rotación del remanente hasta períodos de milisegundos o segundos. Además del periodo de giro (P), una magnitud clave es la derivada temporal del periodo (Ṗ), que mide cómo se frena el giro con el tiempo debido a la pérdida de energía por radiación.
Mecanismo de emisión
La radiación pulsada procede de partículas cargadas que se mueven a lo largo de líneas del campo magnético y emiten por mecanismos como la radiación de sincrotrón, la radiación por curvatura y la emisión coherente en la región de los polos magnetosféricos. El haz visible depende de la geometría entre el eje de rotación y el eje magnético; solo cuando la orientación favorece que el haz atraviese la línea de visión terrestre observamos pulsos.
Tipos de púlsares
- Púlsares de radio: emiten principalmente en longitudes de onda de radio; muchos fueron descubiertos así.
- Púlsares de rayos X y gamma: algunos objetos producen pulsos dominantes en rayos X y/o rayos X y rayos gamma, a menudo asociados a acreción en sistemas binarios o a magnetosferas muy energéticas.
- Púlsares de milisegundos: giran a cientos de revoluciones por segundo (periodos de ~1–10 ms). Se cree que muchos fueron "re-activados" por acreción de materia procedente de una compañera en un sistema binario, lo que acelera su rotación.
- Magnetares: son estrellas de neutrones con campos magnéticos extremadamente fuertes; emiten potentes ráfagas de rayos X y gamma y muestran comportamientos distintos a los púlsares típicos, aunque están relacionados físicamente.
Comportamientos observacionales y fenómenos notables
Los pulsos son extraordinariamente regulares, lo que permite medir variaciones minúsculas en el tiempo de llegada de los pulsos. No obstante, algunos púlsares muestran:
- Spin‑down: una desaceleración gradual del giro a medida que pierden energía.
- Glitches: bruscos aumentos de la frecuencia de rotación (spin‑up) atribuibles a reajustes internos del superfluido del núcleo o a "terremotos" en la corteza de la estrella de neutrones.
- Modos de emisión y nulling: cambios en la intensidad o ausencia temporal de pulsos.
Descubrimiento histórico
El primer púlsar se descubrió en 1967. Fue detectado por Jocelyn Bell Burnell y Antony Hewish mientras trabajaban en la Universidad de Cambridge. La emisión observada constaba de pulsos separados por 1,33 segundos, todos procedentes del mismo lugar en el cielo, y su llegada coincidía con el tiempo sideral. Al principio los observadores se sorprendieron por la regularidad de la señal; el término púlsar (abreviatura de "estrella pulsante") se adoptó para describir este nuevo tipo de fuente. El púlsar original, conocido hoy como CP 1919 (también citado en la literatura como PSR B1919+21), emite en longitudes de onda de radio, aunque más adelante se han descubierto púlsares que emiten en rayos X y/o rayos gamma.
Premios Nobel
La importancia del descubrimiento quedó reflejada en los galardones científicos. En 1974, Antony Hewish recibió el Premio Nobel de Física por su papel en el descubrimiento de los púlsares. La exclusión de Jocelyn Bell Burnell del premio generó controversia porque ella hizo la observación inicial siendo estudiante de doctorado; Bell ha declarado públicamente no guardar resentimiento por la decisión del comité. Más adelante, en 1993, Joseph Hooton Taylor Jr. y Russell Hulse fueron galardonados con el Nobel por el descubrimiento de un púlsar en un sistema binario.
Púlsar binario Hulse–Taylor y ondas gravitacionales
En 1974, Taylor y Hulse descubrieron por primera vez un púlsar en un sistema binario. Este púlsar orbita otra estrella de neutrones con un período orbital de aproximadamente ocho horas. Según la teoría de la relatividad general de Einstein, este sistema debía emitir radiación gravitatoria, lo que provoca que la órbita se contraiga gradualmente al perder energía. Las observaciones de la variación orbital coincidieron con la predicción de la relatividad general, constituyendo la primera evidencia indirecta de ondas gravitacionales. A partir de 2010 y en observaciones posteriores, las medidas han seguido siendo consistentes con la relatividad general.
Importancia científica y aplicaciones
Los púlsares son laboratorios naturales para física extrema: permiten estudiar la materia a densidades supranucleares, campos magnéticos gigantescos y pruebas de la gravitación en régimen fuerte. La estabilidad temporal de los púlsares de milisegundos se utiliza para:
- Construir relojes cósmicos precisos y mejorar la determinación de ephemeris planetarios.
- Buscar ondas gravitacionales de baja frecuencia mediante redes de púlsares conocidas como "pulsar timing arrays".
- Estudiar la evolución estelar y la dinámica de sistemas binarios.
Población y detecciones
Hasta la fecha se han detectado miles de púlsares en nuestra galaxia y en galaxias cercanas (p. ej. las Nubes de Magallanes). La búsqueda continúa con radiotelescopios y observatorios espaciales que exploran distintas bandas del espectro electromagnético; los nuevos instrumentos están ampliando el número de objetos conocidos, incluyendo púlsares transitorios y obj etos relacionados como magnetares.
Fenómenos relacionados: viento pulsar y Nebulosas
Los púlsares jóvenes y energéticos suelen inflar nebulosas por la interacción de partículas relativistas y campos magnéticos; un ejemplo famoso es la Nebulosa del Cangrejo, alimentada por el púlsar central. Estas nebulosas son fuentes brillantes en radio, óptico y rayos X y permiten estudiar cómo la energía rotacional del púlsar se transforma en radiación y partículas.
Conclusión
Los púlsares son objetos clave en astrofísica moderna: desde su descubrimiento accidental en 1967 hasta su uso actual como herramientas para investigación fundamental, han aportado pruebas decisivas sobre la naturaleza de la materia extrema y la gravitación. Su estudio sigue evolucionando con observatorios más sensibles y técnicas de análisis más avanzadas.
Imagen compuesta óptica/de rayos X de la nebulosa del Cangrejo. Muestra la energía procedente de la nebulosa circundante, que es causada por los campos magnéticos y las partículas del púlsar central.
El púlsar Vela, una estrella de neutrones que son los restos de una estrella que queda de una supernova (una gran explosión de una estrella). Vuela por el espacio, empujado por la materia lanzada desde uno de los puntos donde gira la estrella de neutrones.
Tipos de púlsares
Los astrónomos saben que hay tres tipos diferentes de púlsares:
- Púlsares impulsados por la rotación, en los que la radiación es causada por la pérdida de energía de rotación; la radiación es causada por la disminución de la velocidad de giro de la estrella de neutrones
- Púlsares impulsados por la acreción (que son la mayoría de los púlsares de rayos X, pero no todos), en los que la energía potencialgravitatoria de la materia que cae sobre el púlsar provoca rayos X que pueden ser recibidos desde la Tierra, y
- Los magnetares, donde un campo magnético extremadamente fuerte pierde energía, lo que provoca la radiación.
Aunque los tres tipos de objetos son estrellas de neutrones, las cosas que se pueden ver que hacen y la física que lo causa son muy diferentes. Pero hay algunas cosas que son similares. Por ejemplo, los púlsares de rayos X son probablemente viejos púlsares de rotación que ya han perdido la mayor parte de su energía, y sólo pueden verse de nuevo después de que sus compañeras binarias se expandieran y la materia de éstas empezara a caer sobre la estrella de neutrones. El proceso de acreción (la materia que cae sobre la estrella de neutrones) puede, a su vez, dar suficiente energía de momento angular a la estrella de neutrones para convertirla en un púlsar de milisegundos impulsado por la rotación.
Utiliza
Reloj preciso En algunos púlsares de milisegundos, la regularidad de la pulsación es más precisa que la de un reloj atómico. Esta estabilidad permite utilizar los púlsares de milisegundos para establecer el tiempo de las efemérides, o para construir relojes de púlsar.
El ruido de sincronización es el nombre que reciben las irregularidades rotacionales observadas en todos los púlsares. Este ruido de sincronización es observable como un desplazamiento aleatorio de la frecuencia o la fase del pulso. Se desconoce si el ruido de sincronización está relacionado con los fallos del púlsar.
Otros usos
El estudio de los púlsares ha dado lugar a numerosas aplicaciones en física y astronomía. Los principales ejemplos son la prueba de la radiación gravitacional prevista por la relatividad general y la primera prueba de la existencia de exoplanetas. En los años 80, los astrónomos midieron la radiación de los púlsares para demostrar que los continentes norteamericano y europeo se están alejando el uno del otro. Este movimiento es una prueba de la tectónica de placas.
Púlsares importantes
- El magnetar SGR 1806-20 produjo la mayor explosión de energía jamás vista en la galaxia en un experimento realizado el 27 de diciembre de 2004
- PSR B1931+24 "... parece un púlsar normal durante aproximadamente una semana y luego se 'apaga' durante un mes aproximadamente antes de volver a producir pulsos. [..] este púlsar se ralentiza más rápidamente cuando el púlsar está encendido que cuando está apagado. [.. la] forma en que se ralentiza debe tener que ver con la energía de radio y las cosas que la provocan, y la ralentización adicional puede explicarse por un viento de partículas que sale del campo magnético del púlsar y que reduce la velocidad a la que gira. [2]
- PSR J1748-2446ad, a 716 Hz (veces que gira por segundo), es el púlsar que gira más rápido que se conoce.
Otras fuentes
- Lorimer D.R. & M. Kramer 2004. Handbook of pulsar astronomy. Cambridge Observing Handbooks for Research Astronomers.
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