El espacio sideral es como un zoológico de especies peculiares. Entre ellas, una de las más intrigantes es la de los púlsares, objetos compactos que rotan a gran velocidad y emiten pulsos regulares de ondas de radio. Un modelo que desarrollaron científicos de Brasil y Argentina ayuda a explicar cómo evolucionan algunas de las más exóticas variantes de púlsares, que, en coincidencia con la evocación de un zoológico, recibieron nombres de animales: las arañas redback y viuda negra.
Los púlsares fascinaron a los astrónomos desde su descubrimiento, en 1967. Cuando los astrónomos Jocelyn Bell y Antony Hewish observaron por primera vez las emisiones pulsátiles que les granjearon el nombre a estos cuerpos celestes, les parecieron tan enigmáticas que no descartaron que fueran transmisiones provenientes de civilizaciones extraterrestres. Risueñamente, Bell y Hewish bautizaron al objeto que descubrieron como LGM-1, la sigla en inglés por little green men u hombrecillos verdes. Empero, no tardó en descubrirse que los púlsares constituyen en realidad un tipo de estrellas de neutrones, especies de cadáveres de estrellas masivas que, luego de agotar su combustible nuclear, explotaron como supernovas.
Las estrellas con una masa ocho veces superior a la del Sol, al explotar, eyectan sus capas exteriores, mientras que su núcleo sufre tal compactación que los electrones se introducen en los protones y los convierten en neutrones, por eso se las denomina estrellas de neutrones. Se trata de objetos extremadamente compactos, donde la masa que quedó, equivalente a la de uno o dos soles, queda comprimida en una esfera de 10 a 30 kilómetros de diámetro. Cuando su poderoso campo magnético se encuentra desalineado en relación con su eje de rotación, el haz de radiación que emiten esas estrellas gira realizando un movimiento de procesión. Desde la Tierra, esa radiación se observa de manera intermitente, bajo la forma de los pulsos que caracterizan a estos objetos.
Muchos de esos púlsares poseen estrellas compañeras que giran alrededor de ellas. A algunos los acompaña una estrella cuya masa corresponde a entre un 20% y un 40% de la del Sol y conforman sistemas a los que se conoce como redback, una araña australiana que posee una franja roja sobre su abdomen negro. En tanto, a los púlsares que acompañan a estrellas menores, con un 5% de la masa solar, se los denomina viuda negra.
Los sistemas fueron llamados así porque en ellos, la estrella con mayor masa y también la más densa ‒el púlsar‒ contribuye a “evaporar” a la de menor masa. Es algo similar a lo que ocurre con esas arañas: las hembras, bastante mayores que los machos, los matan luego de la cópula. “Los estadounidenses y los australianos utilizaron esos apodos y luego prendieron”, relata el astrofísico Jorge Horvath, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São paulo (IAG-USP). “En la actualidad, a esos sistemas se los conoce con el mote de spiders [arañas]”.
El trabajo que Horvath llevó a cabo junto con sus colegas argentinos Omar Benvenuto y María Alejandra De Vito, ambos de la Universidad Nacional de La Plata, constituye un paso importante en la comprensión de la evolución de estos sistemas. El modelo que elaboró el trío revela que existe una relación evolutiva entre los sistemas redback y viuda negra.
En ambos casos, los púlsares consumen parte de la masa de sus compañeras mediante un mecanismo al que se denomina acrecimiento o acreción. Los púlsares, que son mucho más densos, poseen un intenso campo gravitatorio que atrae a la masa de la estrella compañera. Y así funcionan como una aspiradora de polvo que succiona los fragmentos en que se va desintegrando la vecina. Pero estos sistemas araña también pueden asumir una configuración bastante más interesante: la órbita de sus estrellas puede evolucionar hasta que la distancia entre ambas llegue a ser inferior a la que separa la Tierra de la Luna.
En tales casos, cuando la masa de la compañera se torna demasiado pequeña (un 5% de la masa solar), típicos de los sistemas viuda negra, ésta termina por consumirse mediante un segundo mecanismo: la evaporación. La radiación y las partículas que emite el púlsar eyectan parte de la masa de la estrella compañera, en forma similar a un soplido que barre el polvo de una mesa. “En las simulaciones, notamos que, en algunos casos habría tiempo suficiente como para que el púlsar provoque la evaporación total de la compañera”, comenta Horvath. “También observamos que, en otros casos, podría quedar, a una mayor distancia del púlsar, un ‘núcleo’ con una masa equivalente a la de un planeta”, dice.
Los científicos describieron esas trayectorias evolutivas en un artículo en Astrophysical Journal Letters. En ese trabajo, demostraron incluso que el comportamiento de estos sistemas depende tanto de la distancia inicial entre el púlsar y la estrella compañera como de la masa inicial de ésta. Cuando la compañera se encuentra en una órbita cercana al púlsar, que ella completa en un tiempo menor a un día terrestre, su masa se va consumiendo por acreción y algunos de esos sistemas evolucionan hasta convertirse en los redback. En tanto, si la distancia fuera menor, el equivalente a una órbita de menos de tres horas, la estrella compañera se consume por evaporación, algo típico de los sistemas de viuda negra. Los investigadores notaron incluso que, bajo ciertas condiciones, el primer sistema puede convertirse en el segundo. “En esos sistemas, la masa de los púlsares aumenta mucho, algo importante para comprender la naturaleza de la materia que los compone”, explica Horvath.
En su modelado, Horvath y sus colegas incluyeron los efectos de las emisiones de radiación y partículas del púlsar sobre la evolución del sistema. “Esta emisión influye de dos maneras: puede arrancarle capas de gas a la compañera [evaporación] y así, la materia atraída hacia el púlsar genera rayos X lo suficientemente intensos como para afectar a la estructura de la compañera”, dice Marcelo Allen, docente del Instituto Federal de São Paulo, quien no participó en el estudio.
La comprensión integral de redback y viudas negras exigirá nuevos esfuerzos. “Nos hallamos lejos de una fórmula teórica satisfactoria que explique el comportamiento observado en largos períodos de tiempo”, analiza Flavio D’Amico, astrofísico del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales.
Proyecto
Materia superdensa en el Universo (nº 2013/26258-4); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Manuel Máximo Bastos Malheiro de Oliveira (ITA); Investigadores principales Jorge Ernesto Horvath (IAG-USP) y João Braga (Inpe); Inversión R$ 222.701,00
Artículo científico
BENVENUTO, O. G., DE VITO, M. A. y HORVATH, J. E. Understanding the evolution of close binary systems with radio pulsars. Astrophysical Journal Letters. v. 786 (L7). may. 2014.
