Magnetar

Concepción del artista de un magnetar, con líneas de campo magnético

La concepción del artista de un poderoso magnetar en un grupo estrella

Una magnetar es un tipo de estrella de neutrones con un campo magnético extremadamente potente (∼10⁹ a 10¹¹ T, ∼10< sup>13 a 10¹⁵ G). El decaimiento del campo magnético potencia la emisión de radiación electromagnética de alta energía, particularmente rayos X y rayos gamma.

La existencia de magnetares fue propuesta en 1992 por Robert Duncan y Christopher Thompson. Su propuesta buscaba explicar las propiedades de las fuentes transitorias de rayos gamma, ahora conocidas como repetidores gamma suaves (SGR). Durante la década siguiente, la hipótesis del magnetar se aceptó ampliamente y se amplió para explicar los púlsares de rayos X anómalos (AXP). Hasta julio de 2021, se conocían 24 magnetoestrellas confirmadas.

Se ha sugerido que los magnetares son la fuente de las ráfagas de radio rápidas (FRB), en particular como resultado de los descubrimientos realizados en 2020 por científicos que utilizaron el radiotelescopio Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP).

Descripción

Al igual que otras estrellas de neutrones, las magnetares miden alrededor de 20 kilómetros (12 millas) de diámetro y tienen una masa de aproximadamente 1,4 masas solares. Se forman por el colapso de una estrella con una masa de 10 a 25 veces la del Sol. La densidad del interior de una magnetar es tal que una cucharada de su sustancia tendría una masa de más de 100 millones de toneladas. Los magnetares se diferencian de otras estrellas de neutrones por tener campos magnéticos aún más fuertes y por rotar más lentamente en comparación. La mayoría de los magnetares giran una vez cada dos a diez segundos, mientras que las estrellas de neutrones típicas giran de una a diez veces por segundo. El campo magnético de una magnetar da lugar a estallidos muy fuertes y característicos de rayos X y rayos gamma. La vida activa de una magnetar es corta en comparación con otros cuerpos celestes. Sus fuertes campos magnéticos decaen después de unos 10.000 años, después de lo cual cesan la actividad y la fuerte emisión de rayos X. Dada la cantidad de magnetares observables en la actualidad, una estimación sitúa la cantidad de magnetares inactivos en la Vía Láctea en 30 millones o más.

Los terremotos de estrellas desencadenados en la superficie de la magnetar alteran el campo magnético que la rodea, lo que a menudo conduce a emisiones de llamaradas de rayos gamma extremadamente potentes que se registraron en la Tierra en 1979, 1998 y 2004.

Tipos de estrella de Neutron (24 de junio de 2020)

Campo magnético

Los magnetares se caracterizan por sus campos magnéticos extremadamente potentes de ∼10⁹ a 10¹¹ T. Estos campos magnéticos son cien millones de veces más fuertes que cualquier imán hecho por el hombre., y alrededor de un billón de veces más potente que el campo que rodea la Tierra. La Tierra tiene un campo geomagnético de 30 a 60 microteslas, y un imán de tierras raras a base de neodimio tiene un campo de aproximadamente 1,25 tesla, con una densidad de energía magnética de 4,0 × 10⁵ J/m< sup>3. El campo de 10¹⁰ teslas de una magnetar, por el contrario, tiene una densidad de energía de 4,0×10²⁵ J/m³, con una densidad de masa E/c2 más de 10.000 veces la del plomo. El campo magnético de una magnetar sería letal incluso a una distancia de 1000 km debido al fuerte campo magnético que distorsiona las nubes de electrones de los átomos constituyentes del sujeto, lo que hace imposible la química de las formas de vida conocidas. A una distancia de la mitad del camino de la Tierra a la Luna, siendo la distancia promedio entre la Tierra y la Luna de 384 400 km (238 900 millas), una magnetar podría borrar la información de las bandas magnéticas de todas las tarjetas de crédito en la Tierra. A partir de 2020, son los objetos magnéticos más poderosos detectados en todo el universo.

Como se describe en el artículo de portada de Scientific American de febrero de 2003, suceden cosas notables dentro de un campo magnético de fuerza magnetar. Los fotones de rayos X se dividen fácilmente en dos o se fusionan. El vacío mismo está polarizado, volviéndose fuertemente birrefringente, como un cristal de calcita. Los átomos se deforman en cilindros largos más delgados que la longitud de onda cuántica-relativista de De Broglie de un electrón. En un campo de unos 10⁵ teslas, los orbitales atómicos se deforman en forma de varilla. A 10¹⁰ teslas, un átomo de hidrógeno se vuelve 200 veces más estrecho que su diámetro normal.

Orígenes de los campos magnéticos

La teoría dominante de los fuertes campos de magnetares es que resulta de un proceso de dínamo magnetohidrodinámico en el fluido conductor turbulento y extremadamente denso que existe antes de que la estrella de neutrones se asiente en su configuración de equilibrio. Estos campos luego persisten debido a las corrientes persistentes en una fase de materia superconductora de protones que existe a una profundidad intermedia dentro de la estrella de neutrones (donde los neutrones predominan en masa). Un proceso de dínamo magnetohidrodinámico similar produce campos transitorios aún más intensos durante la coalescencia de pares de estrellas de neutrones. Pero otra teoría es que simplemente resultan del colapso de estrellas con campos magnéticos inusualmente fuertes.

Formación

Magnetar SGR 1900+14 (centro de imagen) mostrando un anillo circundante de gas 7 años luz a través de la luz infrarroja, como se ve en el telescopio espacial Spitzer. El magnetar en sí no es visible en esta longitud de onda, pero se ha visto en la luz de rayos X.

En una supernova, una estrella colapsa hasta convertirse en una estrella de neutrones y su campo magnético aumenta dramáticamente en fuerza a través de la conservación del flujo magnético. Reducir a la mitad una dimensión lineal aumenta cuatro veces la intensidad del campo magnético. Duncan y Thompson calcularon que cuando el espín, la temperatura y el campo magnético de una estrella de neutrones recién formada caen dentro de los rangos correctos, un mecanismo de dínamo podría actuar, convirtiendo el calor y la energía rotacional en energía magnética y aumentando el campo magnético, normalmente un enorme 10 ⁸ teslas, a más de 10¹¹ teslas (o 10¹⁵ gauss). El resultado es un magnetar. Se estima que aproximadamente una de cada diez explosiones de supernova da como resultado una magnetar en lugar de una estrella de neutrones o púlsar más estándar.

Descubrimiento de 1979

El 5 de marzo de 1979, unos meses después de la exitosa caída de los satélites en la atmósfera de Venus, las dos sondas espaciales soviéticas no tripuladas, Venera 11 y 12, fueron alcanzadas por una explosión de radiación gamma aproximadamente a las 10:51 EST. Este contacto elevó las lecturas de radiación en ambas sondas de 100 conteos por segundo normales a más de 200,000 conteos por segundo, en solo una fracción de milisegundo.

Este estallido de rayos gamma continuó propagándose rápidamente. Once segundos después, Helios 2, una sonda de la NASA, que estaba en órbita alrededor del Sol, fue saturada por la explosión de radiación. Pronto golpeó a Venus, y los detectores del Pioneer Venus Orbiter fueron superados por la ola. Segundos después, la Tierra recibió la ola de radiación, donde la poderosa salida de rayos gamma inundó los detectores de tres satélites Vela del Departamento de Defensa de EE. UU., el satélite soviético Prognoz 7 y el Observatorio Einstein. Justo antes de que la ola saliera del Sistema Solar, la explosión también golpeó al International Sun-Earth Explorer. Esta extremadamente poderosa explosión de radiación gamma constituyó la ola más fuerte de rayos gamma extrasolares jamás detectada; fue más de 100 veces más intenso que cualquier explosión extrasolar anterior conocida. Debido a que los rayos gamma viajan a la velocidad de la luz y el tiempo del pulso fue registrado por varias naves espaciales distantes, así como en la Tierra, la fuente de la radiación gamma podría calcularse con una precisión de aproximadamente 2 segundos de arco. La dirección de la fuente se correspondía con los restos de una estrella que se había convertido en supernova alrededor del año 3000 a. Estaba en la Gran Nube de Magallanes y la fuente se denominó SGR 0525-66; el evento en sí se denominó GRB 790305b, el megaflare SGR observado por primera vez.

Descubrimientos recientes

La impresión del artista de una explosión de rayos gamma y supernova alimentada por un magnetar

El 21 de febrero de 2008, se anunció que la NASA y los investigadores de la Universidad McGill habían descubierto una estrella de neutrones con las propiedades de un púlsar de radio que emitía algunos estallidos magnéticos, como una magnetar. Esto sugiere que los magnetares no son simplemente un tipo raro de púlsar, sino que pueden ser una fase (posiblemente reversible) en la vida de algunos púlsares. El 24 de septiembre de 2008, ESO anunció lo que determinó que era el primer candidato a magnetar ópticamente activo descubierto hasta ahora, utilizando el Very Large Telescope de ESO. El objeto recién descubierto fue designado SWIFT J195509+261406. El 1 de septiembre de 2014, la ESA publicó la noticia de una magnetar cerca del remanente de supernova Kesteven 79. Astrónomos de Europa y China descubrieron esta magnetar, denominada 3XMM J185246.6+003317, en 2013 al observar imágenes que se habían tomado en 2008 y 2009. En 2013, se descubrió una magnetar PSR J1745−2900, que orbita el agujero negro en el sistema Sagittarius A*. Este objeto proporciona una valiosa herramienta para estudiar el medio interestelar ionizado hacia el Centro Galáctico. En 2018, se determinó que el resultado temporal de la fusión de dos estrellas de neutrones era un magnetar hipermasivo, que pronto colapsó en un agujero negro.

En abril de 2020, se sugirió un posible vínculo entre las ráfagas de radio rápidas (FRB) y las magnetares, según las observaciones de SGR 1935+2154, una probable magnetar ubicada en la galaxia de la Vía Láctea.

Magnetars conocidas

El 27 de diciembre de 2004, una ráfaga de rayos gamma de SGR 1806-1920 pasó por el Sistema Solar (SGR 1806-1920).la concepción del artista). El estallido fue tan poderoso que tuvo efectos en la atmósfera de la Tierra, a una gama de alrededor de 50.000 años luz.

Hasta julio de 2021, se conocen 24 magnetares y hay seis candidatos más en espera de confirmación. Se proporciona una lista completa en el catálogo en línea de McGill SGR/AXP. Ejemplos de magnetares conocidos incluyen:

• SGR 0525−66, en la Gran Nube de Magallanes, ubicada alrededor de 163.000 años luz de la Tierra, la primera encontrada (en 1979)
• SGR 1806-1820, ubicado 50.000 años luz de la Tierra en el lado lejano de la Vía Láctea en la constelación de Sagitario y el objeto más magnetizado conocido.
• SGR 1900+14, situado a 20.000 años luz en la constelación Aquila. Después de un largo período de bajas emisiones (sólo en 1979 y 1993) se puso en marcha en mayo–agosto de 1998, y una explosión detectada el 27 de agosto de 1998 fue de suficiente potencia para obligar a NEAR Shoemaker a cerrarse para evitar daños y saturar instrumentos en BeppoSAX, WIND y RXTE. El 29 de mayo de 2008, el telescopio espacial Spitzer de la NASA descubrió un anillo de materia alrededor de este magnetar. Se cree que este anillo se formó en la explosión de 1998.
• SGR 0501+4516 fue descubierto el 22 de agosto de 2008.
• 1E 1048.1−5937, situado a 9.000 años luz en la constelación Carina. La estrella original, de la que formaba el magnetar, tenía una masa de 30 a 40 veces la del Sol.
• En septiembre de 2008, ESO reporta la identificación de un objeto que inicialmente ha identificado como magnetar, SWIFT J195509+261406, identificado originalmente por una explosión de rayos gamma (GRB 070610).
• CXO J164710.2-455216, ubicado en el grupo galáctico masivo Westerlund 1, que se formó de una estrella con una masa superior a 40 masas solares.
• SWIFT J1822.3 Star-1606 descubrió el 14 de julio de 2011 por investigadores italianos y españoles de CSIC en Madrid y Cataluña. Este magnetar contrario a las previsiones tiene un campo magnético externo bajo, y puede ser tan joven como medio millón de años.
• 3XMM J185246.6+003317, descubierto por el equipo internacional de astrónomos, mirando datos del telescopio XMM-Newton de ESA.
• SGR 1935+2154, emitió un par de ráfagas luminosas el 28 de abril de 2020. Hubo especulación de que estos pueden ser ejemplos galácticos de ráfagas rápidas.
• Swift J1818.0-1607, la explosión de rayos X detectada marzo 2020, es uno de los cinco magnetares conocidos que también son pulsadores de radio. En su época de descubrimiento, puede tener sólo 240 años.

Magnetar-SGR J1745-2900
Magnetar encontró muy cerca del agujero negro supermasivo, Sagitario A*, en el centro de la Vía Láctea

Supernovas brillantes

Se cree que las supernovas inusualmente brillantes son el resultado de la muerte de estrellas muy grandes como supernovas de inestabilidad de pares (o supernovas de inestabilidad de pares pulsacionales). Sin embargo, investigaciones recientes de astrónomos han postulado que la energía liberada de los magnetares recién formados en los remanentes de supernova circundantes puede ser responsable de algunas de las supernovas más brillantes, como SN 2005ap y SN 2008es.