La llum amb més energia mai observada des d’un púlsar

Un grup de científics que treballen a l’observatori MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) han descobert la radiació polsant més energètica mai detectada des d’un objecte estel·lar: el púlsar del Cranc. Les inesperades observacions d’aquests fotons d’alta energia qüestionen el nostre coneixement d’aquestes diminutes estrelles i obre nous reptes a l’acceleració de partícules en mitjans extrems. El descobriment acaba de ser publicat a l’últim número d’Astronomy and Astrophysics i està dirigit per investigadors de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) a l’Institut de Ciències de l’Espai (IEEC-CSIC) i del Departament d'Astronomia i Meteorologia- Institut de Ciències del Cosmos (UB-IEEC). 

 

Imatge: Patricia Carcelén Marco

L'estrella de neutrons (cercle vermell), amb els seus forts camps magnètics (línies blanques) gira al voltant de si mateixa gairebé 30 vegades per segon i injecta electrons energètics a la regió de la Galàxia que l'envolta. Les regions verdes i blaves ombrejades representen diferents zones d'acceleració de partícules, des d'on els fotons detectats podrien originar-se. La zona verda es troba en les rodalies de la magnetosfera del púlsar, mentre que la zona blava podria arribar fins a 100 000 km del púlsar.

 

Energies mil vegades més grans que les observades anteriorment

El púlsar del Cranc és una petita estrella de neutrons, d'uns 10 km de diàmetre, amb una rotació de 30 vegades per segon. Es comporta com un enorme imant, i crea camps elèctrics i magnètics extremadament grans al seu voltant. Crea a més un feix de llum que surt dels seus pols i que rebem cada vegada que la seva rotació creua la nostra línia de visió, tal com ho fa
un far, però a energies de magnitud molt més gran que la llum visible. L'energia d'aquesta radiació és comparable, per exemple, a la que es crea en el gran accelerador d'hadrons del CERN.

El 2011, els telescopis MAGIC i Veritas van descobrir una emissió inesperada d'aquests fotons energètics. Per comprendre aquest fenomen, l'equip de MAGIC va dur a terme una llarga campanya d'observació del púlsar del Cranc, amb l'objectiu de mesurar l'energia màxima a la qual emetien aquests fotons polsants. Aquestes noves observacions van detectar fotons amb
energies mil vegades (x100o) més grans que les observades amb anterioritat. Els fotons, amb energies de més d'un bilió de electronvolts (~ TeV = 1e12 eV), arriben al detector cada 33 mil·lisegons, proporcionant informació sobre l'entorn més pròxim a aquesta estrella de neutrons. Aquests fotons han de ser producte de la combustió d'electrons i positrons al
voltant de l'estrella de neutrons, a causa del seu gran camp magnètic, i després de patir acceleracions a velocitats relativistes. Però com i on s'arriba a aquest efecte en una regió tan petita és un fet que desafia el nostre coneixement de la física.

"Hem acumulat més de 300 hores de dades del púlsar del Cranc amb MAGIC per tal d’entendre aquest fenomen, tot esperant mesurar la màxima energia dels fotons polsants", diu Emma de Oña Wilhelmi, de l'Institut de Ciències de l'Espai (IEEC-CSIC) i investigadora principal d'aquest programa d'observació. Roberta Zanin, de Departament d'Astronomia i Meteorologia- Institut de Ciències del Cosmos (UB-IEEC) continua: "Les noves observacions estenen l'espectre del Cranc a energies molt més altes que les esperades, per sobre de les energies TeV, és a dir, cent vegades més
energia que el mesurament anterior realitzat amb telescopis Cherenov el 2011, i violen tots els mecanismes que fins ara crèiem que ocorrien en les estrelles de neutrons ". 

Encara es desconeix on i com es crea aquesta emissió TeV, i serà difícil de reconciliar amb les teories de plasma estàndard.

L’observatori MAGIC

MAGIC és un observatori terrestre de raigs gamma situat a l'illa canària de La Palma. Es tracta d'un sistema de dos telescopis Cherenkov de 17 metres de diàmetre, i és un dels tres instruments principals d'aquest tipus a tot el món. Està dissenyat per detectar raigs gamma entre desenes de Giga-electró-volts (10 9 eV) i algunes desenes de Tera-electró-volts. MAGIC va obtenir dades del púlsar del Cranc durant més de 300 hores, i l'equip va analitzar aquest
gran conjunt de dades obtingudes entre octubre de 2007 i abril de 2014.
Les dades i els resultats han estat analitzats per un grup de recerca dirigit per Emma de Oña Wilhelmi i Diego Torres, de l’Institut de Ciències de l'Espai (IEEC-CSIC), Roberta Zanin i Daniel Galindo Fernández, ambdós del  Departament d'Astronomia i Meteorologia- Institut de Ciències del Cosmos (UB-IEEC) i David Carreto Fidalgo de la Universidad Complutense de Madrid (UCM).

El Cranc, el púlsar més poderós de la nostra galàxia

Els púlsars són estrelles de neutrons que giren ràpidament i estan altament magnetitzades. De pes superior al nostre Sol, però amb només uns pocs quilòmetres de radi, aquests objectes extremadament densos estan incrustats en camps magnètics amb forces de fins a 10 8-15 G a la superfície de l'estrella. Aquest camp magnètic, juntament amb la ràpida rotació de l'estrella amb períodes d'uns pocs mil·lisegons, produeix feixos de radiació electromagnètica que escombren el cel com si fossin un far.

En particular, el púlsar del Cranc, creat en l'explosió d'una supernova l'any 1054 AC, es troba a una distància d'uns 6.500 anys llum al centre d'una nebulosa magnetitzada i visible a la constel·lació de Taure. El Cranc és ell púlsar més poderós de la nostra galàxia i un dels pocs púlsars detectats en totes les longituds d'ona, des ràdio fins als raigs gamma. En la seva
magnetosfera (o atmosfera magnetitzada) de només uns pocs milers de quilòmetres, els electrons i positrons s'acceleren fins a energies relativistes, però es cremen ràpidament en el camp altament magnètic, emetent una radiació que arriba als nostres telescopis en forma de polsos cada 33 mil·lisegons, una vegada per cada rotació de l'estrella de neutrons, quan
troba la nostra mirada telescòpica. Aquesta radiació es deté abruptament quan es cremen els electrons més ràpids (és a dir, a ~ 1GeV = 109 eV), per sota del rang d'energia que poden observar els telescopis Cherenkov. Però aquestes noves observacions amb MAGIC han revelat una radiació misteriosa, feble però molt enèrgica (milers de vegades major), que
supera aquest abrupte límit observat en altres experiments sensibles a més baixes energies, i l'origen de la qual encara ens resulta desconegut.
 

 

Data: 

Dissabte, 16 Gener, 2016