El telescopi IXPE de la NASA revela els misteris d’un singular púlsar

Un equip internacional d’astrònoms, liderat per investigadors de l’Observatori de Brera de l’Institut Nacional d’Astrofísica d’Itàlia (INAF) i de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) a l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC), ha descobert noves evidències que expliquen com els romanents polsants d’estrelles que van explotar en el passat interactuen amb la matèria circumdant en les profunditats del cosmos. Per fer-ho, s’han fet observacions amb el telescopi IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) de la NASA i altres telescopis. Les troballes han estat publicades a The Astrophysical Journal Letters.

L’equip va fixar el seu objectiu en un misteriós duet còsmic anomenat PSR J1023+0038 o J1023, abreujadament. J1023 consisteix en una estrella de neutrons que gira ràpidament i s’alimenta de la seva estrella companya de baixa massa, cosa que crea un disc d’acreció al voltant de l’estrella de neutrons. Aquesta estrella de neutrons també és un púlsar, que emet potents feixos de llum bessons des dels seus pols magnètics oposats mentre gira com un far.

J1023 és singular i valuós com a objecte d’estudi perquè transiciona entre el seu estat actiu, en què s’alimenta de la seva estrella companya, i un estat més latent, en què emet pulsacions detectables com a ones de ràdio. Això el converteix en un ‘púlsar de transició de mil·lisegons’.

«Els púlsars de transició de mil·lisegons són laboratoris còsmics que ens ajuden a comprendre com evolucionen les estrelles de neutrons en sistemes binaris», afirma la investigadora de l’Observatori de Brera de l’INAF Maria Cristina Baglio i autora principal de l’estudi que il·lustra les noves troballes.

Amb el telescopi NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) de la NASA i l’Observatori Neil Gehrels Swift, es van obtenir observacions importants del sistema binari en altes energies. També es van utilitzar dades dels telescopis Very Large Telescope a Xile i del Karl G. Jansky Very Large Array als Estats Units.

La gran pregunta per als científics i científiques sobre aquest sistema de púlsar va ser: on s’originen els raigs X? La resposta ha servit per sustentar teories més àmplies sobre l’acceleració de partícules, la física d’acreció i els entorns que envolten les estrelles de neutrons a tot l’univers.

L’origen va sorprendre l’equip: els raigs X procedien del vent del púlsar, una barreja caòtica de gasos, ones de xoc, camps magnètics i partícules accelerades a prop de la velocitat de la llum, que colpeja el disc d’acreció.

Per arribar a aquesta conclusió, l’equip va mesurar l’angle de polarització tant a raigs X com a llum òptica. La polarització mesura com s’organitzen les ones de llum. Van analitzar la polarització de raigs X amb IXPE, l’únic telescopi capaç de realitzar aquests mesuraments a l’espai, i la van comparar amb la polarització òptica obtinguda d’altres telescopis. El telescopi IXPE es va llançar el desembre del 2021 i ha fet nombroses observacions de púlsars, però J1023 és el primer sistema d’aquest tipus que ha explorat. El resultat: van trobar el mateix angle de polarització a les diferents longituds d’ona.

«Aquesta troballa constitueix una prova sòlida que un únic mecanisme físic coherent subjau a tota la llum que observem», va afirmar Francesco Coti Zelati, investigador de l’IEEC a l’ICE-CSIC i coautor principal de les troballes. Diego F. Torres i Nanda Rea, membres també de l’ICE-CSIC i l’IEEC, van jugar un paper fonamental a l’estudi, contribuint a la interpretació de les complexes dades observacionals.

Aquesta interpretació desafia la creença generalitzada sobre les emissions de radiació de les estrelles de neutrons en sistemes binaris, segons els investigadors. Els models anteriors indicaven que els raigs X procedeixen del disc d’acreció, però aquest nou estudi mostra que s’originen amb el vent del púlsar.

L’equip continua estudiant els púlsars transicionals de mil·lisegons per avaluar com els mecanismes físics observats s’assemblen als d’altres púlsars i nebuloses de vent de púlsar. Els coneixements obtinguts podrien ajudar a polir models teòrics que descriuen com els vents de púlsar generen radiació i porten als investigadors un pas més a prop, coincideixen Baglio i Coti Zelati, de comprendre totalment els mecanismes físics que operen en aquests extraordinaris sistemes còsmics.

Nota de premsa elaborada en col·laboració amb l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC).