Científicos descubren un mágico sistema estelar binario alienígena

Después de observar un sistema binario de dos estrellas muertas durante 20 años, los astrónomos han descubierto otra consecuencia de la relatividad general: el arrastre de marco. En la relatividad general, un objeto masivo que gira rápidamente arrastra literalmente el tejido del espacio-tiempo a su alrededor, como un hilo enrollado alrededor de un huso.

Cada principio científico detrás de este descubrimiento es interesante y sorprendente. ¡Descubrámoslo!

Este sistema binario está formado por un púlsar (llamado PSR J1141-6545) y una enana blanca, que giran uno alrededor del otro. Las enanas blancas son las partes centrales que quedan después de la muerte de estrellas similares al Sol. Es decir, las estrellas muertas se despojan de sus capas exteriores, dejando atrás un núcleo caliente y denso: en circunstancias normales, tienen aproximadamente el mismo tamaño que la Tierra. pero tiene la masa de una estrella grande.

El principio de producción de los púlsares y las enanas blancas es similar, pero el proceso de su producción es más violento. Es el núcleo remanente de una estrella mucho más grande que explotó como supernova. Cuando se produce la explosión, la energía es expulsada violentamente hacia el exterior y el núcleo colapsa formando una bola de neutrones de unos 20 kilómetros de diámetro, con una masa incluso mayor que la de una enana blanca. A este objeto lo llamamos estrella de neutrones. A veces emiten rayos de radiación desde sus polos y, a medida que giran, estos rayos barren el espacio como la luz de un faro. Cuando se ve desde la Tierra, un rayo de luz aparece como un punto de luz cuando pasa por encima, de ahí el término púlsar.

Una estrella enana blanca es tan pequeña en tamaño pero tan masiva en masa. Su densidad es cientos de miles de veces la de la Tierra, alrededor de un millón de gramos por mililitro, y un millón de veces la densidad del agua. . Una estrella de neutrones, por el contrario, es más masiva y más pequeña, por lo que su densidad es aún más asombrosa: 100 billones de veces la del agua. Un centímetro cúbico de material de estrella de neutrones pesa tanto como todos los automóviles de Estados Unidos juntos.

Curiosamente, las observaciones sugieren que las enanas blancas se forman primero en sistemas estelares binarios. Normalmente, las estrellas más masivas explotan primero, por lo que las estrellas de neutrones suelen ser más antiguas. Pero este sistema es extraño. Comienza como dos estrellas ordinarias orbitando entre sí, una de las cuales es ligeramente más grande que la otra. Ambos están justo por debajo del límite de masa necesario para producir una estrella de neutrones en una explosión de supernova (unas 8 veces la masa del Sol). Más tarde, la más grande murió primero y se convirtió en una estrella gigante roja, que se despojó de sus capas exteriores y finalmente se convirtió en una estrella enana blanca. Pero a medida que se expandió, expulsó tanto material hacia la otra estrella que provocó que la segunda estrella se hiciera lo suficientemente grande como para explotar y crear una estrella de neutrones. ¡Y así ocurrió un sistema extraño que desafió la norma!

El Radiotelescopio Parkes de Australia observa imágenes de púlsares (pequeñas esferas violetas que emiten haces de energía) y enanas blancas (grandes esferas azules) en órbitas binarias. A medida que la enana blanca gira, arrastra el espacio-tiempo, cambiando el tiempo que tarda el haz del púlsar en llegar a la Tierra. Fuente: Mark Myers, Centro de Excelencia OzGrav ARC

En última instancia, tenemos el sistema estelar binario gigante actual, un púlsar de estrella de neutrones y una enana blanca. El púlsar gira aproximadamente 2,5 veces por segundo, lo cual es relativamente lento para un objeto tan masivo. Pero la enana blanca gira en menos de tres minutos, lo cual es muy rápido para una enana blanca. Lo que pudo haber sucedido es que la segunda estrella se expandió hasta convertirse en una supergigante roja y arrojó material sobre la enana blanca antes de explotar. Este material cae sobre la enana blanca, girándola y dándole su rápida velocidad de giro actual (que es como saben que la enana blanca se formó primero; si la estrella de neutrones se formó primero, entonces otra estrella habría arrojado material sobre ella. Las estrellas de neutrones giran lentamente, por lo que ese no puede ser el caso).

Los púlsares son relojes muy precisos. Los pulsos que observamos están relacionados con su rotación, que es muy estable. Estos pulsos llegan con el mismo período, hasta nanosegundos.

¡Nanosegundo!

Las estrellas de neutrones son de tamaño pequeño y de alta densidad. Puedes verlo de esta manera: comprimiendo la masa del sol en una bola con un diámetro de sólo unos pocos kilómetros.

Esta obra de arte representa un lugar que se compara con Manhattan. Fuente: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

Sin embargo, las leyes que creíamos conocer pueden cambiar. Los astrónomos observaron el sistema durante 20 años y descubrieron cambios en el período del pulso. Los púlsares ralentizarán su giro con el tiempo (lo que se denomina reducción de giro), una perturbación muy pequeña. Pero pequeños cambios en los pulsos también significan que algo más está cambiando. Debido a que las dos estrellas muertas orbitan entre sí, el púlsar a veces se mueve hacia la Tierra en su órbita y otras veces se aleja de la Tierra. Esto alinea los pulsos hacia arriba en una mitad de la órbita y hacia abajo en la otra mitad, cambiando el tiempo que tardan los pulsos en llegar a la Tierra. Esto se puede medir porque el período orbital del sistema es muy preciso (en este caso, 0,1976509615 días o 4,743623076 horas). Al mismo tiempo, también podemos encontrar cambios en otros aspectos de la órbita.

Tras décadas de observación, los científicos han descubierto que la dirección de la órbita está cambiando. Se balanceaba, como si la fricción entre mesas frenara el movimiento de una peonza. Este movimiento se llama precesión y puede deberse a varios factores: primero, las dos estrellas no son completamente esféricas. Como giran tan rápido, se expanden en el ecuador debido a la fuerza centrífuga. Los equilibradores de las dos estrellas están desalineados, por lo que el abultamiento de cada estrella tira del otro, creando un torque. Esto se llama acoplamiento órbita-espín del cuadrupolo newtoniano. Este es simplemente un efecto normal de los objetos asféricos que orbitan entre sí; también ocurre en los sistemas de la Tierra y la Luna, con el resultado de que los días de la Tierra gradualmente se vuelven más largos.

Los púlsares emiten rayos de energía mientras orbitan estrellas enanas blancas; las distorsiones en el espacio-tiempo se describen como cambios en la cuadrícula imaginaria que los rodea.

Los púlsares no son proporcionales; las enanas blancas son cientos de veces más grandes. ESO/L. Calcada

¡Es un efecto relativista interesante! Se llama "efecto Lance-Thering", en honor a los dos físicos que descubrieron por primera vez que era el resultado de la relatividad general.

He escrito sobre este efecto antes, cuando se detecta alrededor de agujeros negros:

Los agujeros negros son conocidos por su intensa gravedad, que puede ejercer una atracción gravitacional sobre la materia que los rodea. ejerce enormes fuerzas. Pero resulta que cualquier cosa con gravedad distorsiona el espacio-tiempo (eso es la gravedad, una abolladura en el tejido del espacio-tiempo) y si el objeto también gira, arrastra el espacio-tiempo, envolviéndolo. Este es otro extraño resultado de la relatividad general.

Si pones una bolita en miel y la giras. Debido a la fricción, la miel mostrará ondas que serán arrastradas. Los objetos más cercanos a la pelota se mueven más rápido que los objetos más alejados de la pelota. Lo mismo le sucederá a un objeto que gira en el espacio; el espacio más cercano al objeto será arrastrado junto con la rotación. Esto se llama efecto de enfoque de lente o, más coloquialmente, arrastre de fotograma.

Los científicos han medido este efecto alrededor de la Tierra y depende de la masa y la velocidad de rotación del objeto, ambas mucho mayores en el caso de la Estrella de la Muerte. ¡En este sistema estelar binario, la fuerza de arrastre de la enana blanca es aproximadamente 100 millones de veces mayor que la de la Tierra! Esto es lo que cambia la dirección de las órbitas de las dos estrellas, la sincronización del pulso. Aunque los científicos han descubierto fenómenos similares antes en otras fuentes astrofísicas, nunca se habían observado de esta manera. Puedes imaginar lo asombroso que es esto.

La observación de púlsares/enanas blancas es muy laboriosa. Primero, los científicos tuvieron que observar el sistema binario durante décadas y luego calcular una gran cantidad de características de las dos estrellas, descartando al mismo tiempo muchos otros factores que podrían interferir con los cálculos. El resultado de una minuciosa investigación científica fue que descubrieron un cambio sutil. Muestra que enormes fuerzas actúan de maneras muy sutiles que pueden cambiar la forma en que interactúan dos objetos pesados ​​en el universo a lo largo de décadas, y todo se reduce a que el espacio puede deformarse y ondularse.

Autor: Phil Plait

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