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ZAPPING
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ZAPPING 0258, 02-mar-2005

'Magnetares', repetidoras de gamma suaves (SGRs)
y campos magnéticos muy fuertes


Robert C. Duncan, Universidad de Texas en Austin - duncan@astro.as.utexas.edu

ORIGINAL EN INGLÉS / ORIGINAL SITE (ENGLISH):
'MAGNETARS', SOFT GAMMA REPEATERS & VERY STRONG MAGNETIC FIELDS

Resumen
Los objetos llamados "Soft gamma repeaters" ("SGRs", en español "Repetidoras de Gamma Suaves") son estrellas de rayos X que emiten fuertes y reiterados relámpagos de rayos gama suaves (de baja energía). La naturaleza física de estas estrellas fue un misterio por muchos años. En 1992 se propuso que las SGRs son estrellas de neutrones alimentadas magnéticamente, o magnetares. Los estudios de observación posteriores apoyan esta hipótesis. Los astrónomos piensan ahora que todas las emisiones que se detectan llegadas de las SGRs, y también desde una clase de estrellas conocidas como púlsares anómalos de rayos X ("AXPs", por "anomalous X-ray pulsars) son alimentadas por el decaimento del campo magnético. Se explica aquí cómo se forman estas extrañas estrellas, físicamente extremas, y por qué emiten sin cesar rayos X pulsantes, con esporádicos estallidos más fuertes. Les contaré la historia de su descubrimiento y los esfuerzos teóricos que ayudaron a revelar su bizarra naturaleza.
NOTA: este sitio web fue escrito originalmente en mayo de 1998, en respuesta a un pico de interés en las magnetares. A principio del 2003 actualicé el sitio para responder preguntas que me enviaron quienes leyeron una historia de tapa sobre las magnetares publicada por la revista Scientific American. Realicé revisiones significativas y agregué nuevas secciones. Sin embargo, no estoy cerca de cubrir todo el progreso reciente en este área de la astrofísica, que se encuentra en rápido desarrollo. Actualmente estoy escribiendo un libro que hablará mucho más sobre las magnetares y explicará todo con más cuidado y profundidad.

- R.D., Marzo 2003


  Contenido  
  1 - Poderosos campos magnéticos*  
  2 - Descubrimiento de las SGRs  
  3 - Estallidos SGR  
  4 - El suceso del 5 de marzo  
  5 - Se localiza el origen de los estallidos  
  6 - Teorías sobre el estallido del 5 de marzo  
  7 - Otras SGRs*  
  8 - Campos magnéticos de las estrellas de neutrones  
  9 - ¿Un nuevo tipo de estrella?*  
  10 - Una breve historia de las magnetares  
  11 - Bolas de fuego atrapadas*  
  12 - 1998: año de descubrimientos en magnetares*  
  13 - El suceso del 27 de agosto*  
  14 - Púlsares anómalos de rayos X*  
  15 - Torsiones magnéticas y rayos X*  
  16 - Enlaces sobre Magnetares*  
  17 - Epílogo: nuevos horizontes en la ciencia de las magnetares*  
     
* Secciones nuevas o expandidas, marzo 2003


Poderosos campos magnéticos

Las observaciones de las SGRs aportan evidencia de que esas estrellas tienen campos magnéticos extraordinariamente potentes. Una estimación especialmente simple y confiable del magnetismo de las SGR, hecho por primera vez en 1998 por C. Kouveliotou y sus colaboradores, aporta evidencias de un campo de 8 x 1014 Gauss, donde "Gauss" es una unidad que indica la fuerza del campo magnético. (1 Gauss = 10-4 Tesla)

Se utiliza aquí notación científica, de modo que 1014 significa 10 elevado a la 14a potencia, lo que es igual a 1 seguido de 14 ceros. Por lo tanto 8 x 1014 es un 8 seguido de 14 ceros, ó 800.000.000.000.000.

Para dar una perspectiva, he aquí una tabla de diversas fuerzas magnéticas
Campo magnético de la Tierra, que mueve la aguja de una brújula medido en el polo Norte magnético 0,6 Gauss
Un imán común, de mano como los que se usan para sostener papeles en un refrigerador 100 Gauss
Campo magnético de las manchas solares fuertes (dentro de las áreas oscuras y magnetizadas de la superficie solar) 4.000 Gauss
El campo magnético más potente que se puede mantener fijo en un laboratorio generado por electroimanes enormes y masivos 4,5 x 105 Gauss
El campo magnético más potente que se ha logrado, por un momento logrado al enfocar cargas explosivas, con una duración de 4 a 8 microsegundos 10 x 107 Gauss
El campo más potente detectado en una estrella que no sea de neutrones encontrado en un puñado de estrellas enanas blancas compactas y fuertemente magnetizadas 10 x 108 Gauss
Campo magnético polar de superficie típico de las púlsares de radio el tipo más familiar de estrella de neutrones; los astrónomos conocen más de mil 1012-1013 Gauss
Magnetares Repetidoras de Gamma Suaves y púlsares anómalas de rayos X.
(El valor dado es el de superficie y polar; los campos del interior de la magnetar pueden llegar hasta 1016 Gauss, con las líneas de campo probablemente encerradas en una geometría toroidal —forma de rosquilla o donut— dentro de la estrella.)
1014-1015 Gauss

Los físicos no ha podido crear campos estables más potentes que 4,5 x 105 Gauss en el laboratorio porque las tensiones magnéticas de campos más poderosos superan la resistencia a la tensión de los materiales terrestres. Si se intenta crear campos más potentes, las fuerzas magnéticas destrozan el electroimán.

Utilizando poderosos explosivos para crear implosiones, es posible comprimir un campo magnético y lograr mayores potencias de campo, al menos durante pequeñas fracciones de segundo. Esto se hizo en el Laboratorio de Los Alamos (Los Alamos Laboratory) en los Estados Unidos, y en un laboratorio de armas nucleares en Sarov, Rusia, obteniendo campos de alrededor de 107 Gauss antes de que el equipo se destruyera.

Átomos en campos magnéticos muy potentes (nueva sub-sección, enero 2003)

El campo magnético más potente que uno puede encontrar personalmente será de alrededor de 104 Gauss, si a uno le aplican un escaneo de Imagen por Resonancia Magnética (Magnetic Resonance Imaging, MRI) para diagnóstico médico. Un campo así no ofrece riesgos para la salud y es difícil que afecte a los átomos de nuestro cuerpo. Los campos de más de 109 Gauss, sin embargo, serán letales al instante. Campos así distorsionan fuertemente a los átomos, comprimiendo a las nubes de electrones atómicos en formas de cigarro, con el eje más largo alineado con el campo, lo que vuelve imposible la química en la que se basa la vida. Dentro de los 1.000 kilómetros alrededor de un magnetar uno morirá a causa del magnetismo puro y estático, si no es que uno no ha sido alcanzado aún por rayos X, rayos gamma, partículas de alta energía, gravedad extrema, estallidos y destellos...

Dentro de campos mucho más potentes que 109 Gauss, los átomos se comprimen en forma de delgadas agujas. A 1014 Gauss, los átomos aguja tienen grosores de alrededor de el 1% de su longitud, centenares de veces más delgados que los átomos no magnetizados. Esos átomos pueden formar fibras o cadenas de moléculas parecidas a polímeros. Sobre la superficie de una magnetar probablemente existe una alfombra de estas fibras magnetizadas, por lo menos en los lugares en los que la superficie es lo suficientemente "fría" como para que se formen átomos.


UN RECUADRO GRIS COMO ÉSTE INDICA QUE EL MATERIAL ES PARA LECTORES AVANZADOS

Campos magnéticos ultra-potentes

En campos magnéticos que exceden la "fuerza de campo de la electrodinámica cuántica" ("quantum electrodynamic field strength"), que es de BQ = 4,4 x 1013 Gauss, ocurren varios efectos físicos fascinantes. (Esta fuerza de campo es la dada por una combinación de constantes fundamentales: BQ = me2 c3 / h e, donde me es la masa del electrón, c es la velocidad de la luz, h es la constante de Planck dividida por 2 π, y e es la carga de un electrón.) En campos más potentes que BQ, los electrones giran alrededor de las líneas del campo magnético a cerca de la velocidad de la luz, aún en sus estados de energía más bajos. En consecuencia, el vacío ultra-magnetizado —que, de acuerdo con la mecánica cuántica, es un hervidero de pares virtuales electrón-positrón y otras partículas— se vuelve birrefringente, como un cristal de calcita, capaz de distorsionar y ampliar imágenes ("lente magnética"). Los fotones de los rayos X que viajan a través de estos potentes campos se dividen en dos o se vuelven a juntar con facilidad, y varios otros efectos físicos novedosos entran en juego. Debido a que BQ está entre las fuerzas de campo observadas en las magnetares y las púlsares de radio ordinarias, esta nueva física sólo es importante en las magnetares, lo que hace que la teoría de las magnetares sea especialmente rica e interesante. Los efectos como la división magnética del fotón no se pueden medir en laboratorios terrestres, pero pueden ser detectados en emisiones llegadas desde esos laboratorios cósmicos únicos. Para más información, vea mi artículo de revisión Physics in Ultra-strong Magnetic Fields.

Aunque los campos de las magnetares son fuertes en la mayoría de las escalas, son débiles comparados con el campo más fuerte posible que podría existir teóricamente en la naturaleza, que es de 1049 - 1053 Gauss. Un campo más potente que éste podría romper, literalmente, el vacío y desintegrarse, por vía del proceso de la creación de un monopolo magnético de la mecánica cuántica. Sin embargo, no hay forma de que se puedan generar campos así de fuertes. Las magnetares son los objectos más fuertemente magnetizados que se conocen hasta ahora en el Universo.

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El descubrimiento de las Repetidoras de Gamma Suaves (SGRs)

A fines de los 60, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos lanzó los satélites "Vela" para buscar rayos gamma en el espacio y así verificar un tratado que prohibía las pruebas de artefactos nucleares en el espacio. Sorprendiendo a todos, se detectaron varios estallidos breves de rayos gamma. Parecían llegar de manera azarosa de todas las direcciones del espacio. Así se descubrió un nuevo fenómeno natural, los "estallidos de rayos gamma" ("gamma-ray bursts", GRBs), y se lo anunció a los astrónomos en 1973.

Los rayos gamma están formados por fotones de energía muy elevada, con más energía que los fotones de rayos X, los que a su vez tienen mayor energía que los fotones de ultravioletas, ópticos, infrarrojos, microondas y de radiofrecuencia (listados en orden decreciente de energía, o de creciente "blandura espectral"). Sólo se pueden estudiar rayos gamma en el espacio exterior, ya que son absorbidos por la atmósfera de la Tierra al ionizar sus átomos. (Esto quiere decir que ellos sacan de un golpe los electrones de los átomos del aire, volviéndolos iones con carga positiva.) Afortunadamente, los detectores de rayos gamma son relativamente baratos, compactos y fáciles de poner en una nave espacial, de modo que se los agregó a varias misiones espaciales durante los 70 para obtener datos sobre los GRBs. En 1979, ya había por lo menos una docena de detectores de rayos gamma en los satélites terrestres y en sondas espaciales esparcidas por el Sistema Solar.

1979 fue un año fantástico para el estudio de las Repetidoras de Gamma Suaves (SGRs), aunque nadie lo notó en ese momento. El primer estallido SGR que se detectó, llegado de una fuente en la constelación de Sagitario, fue el 7 de enero de 1979. Dos meses después, el 5 de marzo de 1979, llegó un estallido verdaderamente poderoso de SGR, que fue de lejos la ráfaga más intensa de rayos gammas que se había detectado hasta el momento fuera de nuestro Sistema Solar (hasta que otro estallido de SGR rompió el récord en 1998). Este enorme fulgor permitió eventualmente que se develara el misterio de las SGR. Sólo nueve días después entró en actividad una tercera SGR en una nueva parte de la galaxia, produciendo tres estallidos en un período de tres días. Es decir que durante los primeros tres meses de 1979 se descubrieron tres de las cinco SGRs conocidas.

Durante años los astrónomos no distinguieron entre los estallidos de SGR y los estallidos de rayos gamma "ordinarios" o "clásicos" (GRBs), observados con mucha mayor frecuencia. (En 1990, con detectores modernos, se detectó alrededor de un GRB por día desde algún lugar del firmamento. Se han visto muchos menos estallidos de SGR, quizás 10 a 50 por año, aunque llegan en grupos.) Hasta 1987 las SGRs no fueron reconocidas claramente como un conjunto separado de objetos. El nombre "repetidoras de gamma suaves" se enfoca en las propiedades que distinguen los estallidos SGR de los GRBs. A diferencia de los GRBs, que jamás se ha verificado que lleguen más de una vez desde un mismo punto en el firmamento, los estallidos SGR se repiten esporádicamente desde el mismo origen. Los rayos gamma de los estallidos SGR son, además, "suaves espectralmente" si se los compara con los que vienen en los GRBs. Esto significa que el promedio de energía por cada fotón del rayo gamma es menor. De hecho, la mayoría de los fotones de SGR en realidad son fotones de alta energía de rayos X "duros" en lugar de rayos gamma verdaderos. Un nombre que los describiría mejor sería "destelladores de rayos X duros", pero se nos ha pegado "repetidoras de gamma suaves" debido a cómo se ha distinguido históricamente a estos objetos de las fuentes de GRB.

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Estallidos SGR

La palabra "suaves" en el nombre "repetidoras de gamma suaves" no debe interpretarse como "tenues". La luminosidad o brillo, la energía radiada por segundo, está relacionada con la cantidad de fotones que se emiten más que con la energía de cada protón; y la cantidad de fotones que llegan desde un estallido SGR es enorme. El término "suave" significa que la energía por fotón es menor que la que existe en los GRBs. Observe que las SGRs son "suaves" espectralmente sólo si se las compara con los GRBs; pero ellas son más potentes que todos los otros fenómenos astronómicos conocidos.

Los estallidos SGR normales pueden irradiar en un segundo tanta energía como la que emite el Sol en todo un año. (Al decir "normales" quiero decir excluyendo los destellos gigantes del 5 de marzo de 1979 y del 27 de agosto de 1998, que fueron más de 1.000 veces más brillantes.) Los estallidos SGR duran sólo una pequeña fracción de segundo, aunque algunos pueden extenderse varios segundos. Todas las SGRs identificadas están dentro de nuestra galaxia (4 de ellas) o en un racimo de estrellas ubicadas apenas fuera de ella (1 de ellas).

[Nuestra galaxia, la Vía Láctea, es un enorme y achatado conglomerado de estrellas, con forma más o menos de disco de alrededor de 100.000 años luz de diámetro y de unos 1.000 años luz de espesor. Un año luz es la distancia que viaja la luz en un año: alrededor de 9,46 millones de millones de kilómetros. Si se la observa desde afuera, la Vía Láctea parece una rueda de fuegos artificiales hecha de alrededor de 100.000 millones de estrellas (1011). El Sol y la Tierra están ubicados alrededor de un 3/4 del recorrido desde el centro hacia fuera.]

Aunque sólo se han detectado cinco SGRs, ciertamente deben de existir al menos varios millones en nuestra galaxia, y una cantidad similar en cada una de las otras. Pero las SGRs cesan de emitir sus brilantes destellos en sólo unos 10.000 años —un breve instante de tiempo cósmico— de modo que sólo se detectan las pocas que son más recientes.

Es interesante comparar las SGRs con los otros orígenes de estallidos en la galaxia. Los astrónomos han identificado muchos de esos objetos y les han puesto nombres tales como "Destelladores de rayos X Tipo I y Tipo II, Transitorios de rayos X de agujero negro, Variables cataclísmicas y Novas". Esas fuentes de estallidos son estrellas compactas (enanas blacas, estrellas de neutrones o agujeros negros) en las que está cayendo material de una estrella compañera que las orbita, en un sistema de doble estrella. Todos esos orígenes de estallidos que se repiten son más débiles que los intensos estallidos SGR normales en un factor de ~10.000 a 1 o más, excepto en el caso de los transitorios de rayos X de los agujeros negros, que sólo son 1.000 veces más débiles. Sin embargo, los estallidos que llegan de esas otras fuentes duran mucho más que los estallidos SGR, de modo que el total de energía en un estallido puede ser comparable. (Debido a su brevedad, un buen nombre para las SGRs hubiera sido "relampagueantes".)

En resumen, las SGRs son, lejos, las emisoras de estallidos repetitivos más brillantes. Las supernovas y los GRBs son mucho más brillantes aún, pero son eventos que ocurren una sola vez, destruyendo la estrella que lanza el estallido. Las supernovas y los GRBs son raros, ya que ocurren en nuestra galaxia sólo una vez cada cientos de años (supernovas) o quizás una vez cada un millón de años (GRBs). Esto significa que la mayor parte de las supernovas y GRBs que se detectan vienen de galaxias distantes.

Esto nos lleva a un evento que cambió la historia de las SGRs: un estallido que fue, por un corto lapso, más brillante que una supernova.

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El suceso del 5 de marzo

5 de marzo de 1979...

A las 10:51 de la mañana del Tiempo Estándar del Este de los Estados Unidos (nota del traductor: en Argentina son dos horas más, o sea a las 12:51 del mediodía), lejos en el espacio, dos sondas espaciales soviéticas, la Venera 11 y la Venera 12, estaban deslizándose a través del Sistema Solar interior cuando fueron sacudidas por un flujo sin precedentes de rayos gamma. Los detectores de rayos gamma a bordo saltaron de valores de 100 a 40.000 y luego se salieron de escala en una fracción de milisegundo; primero en la Venera 11, luego, 5 segundos después, en la Venera 12. Los detectores no habían sido diseñados para semejante flujo de energía y se saturaron, perdiendo la cuenta de los rayos gamma que pasaron a través de ellos. Once segundos después, más rayos gamma dieron contra una sonda espacial norteamericana, la Helios 2, en órbita alrededor del Sol, también sacando sus detectores fuera de escala.

Evidentemente, un frente de onda plano de rayos gamma estaba cruzando el Sistema Solar a la velocidad de la luz. Pronto alzanzó Venus, donde hizo que los detectores de rayos gamma del orbitador Pioneer de Venus también subieran hasta el tope. Entonces, siete segundos después, llegó a la Tierra. Nadie se dio cuenta de lo que pasaba: la vida siguió calma debajo de la protección de la atmósfera. En la costa este de los Estados Unidos era una mañana de lunes lluviosa, aburrida y fría; y fría y clara en el resto de ese país. Las noticias de primera plana de los diarios de los EEUU hablaban de los intentos del presidente Carter para avanzar con el tratado de paz Israelí-Egipcio. (Yo estaba a 6.000 kilómetros, cruzando el Atlántico, pues era entonces un joven estudiante en la Universidad de Cambridge.)

Mientras tanto, en órbita terrestre, tres satélites Vela y un satélite soviético de nombre Prognoz 7 se vieron sumergidos en una repentina marea de rayos gamma. El observatorio Einstein de rayos X, un telescopio orbital, también mostró una fuerte señal. Los rayos gammas entraban copiosamente a través de los protectores metálicos de radiación que rodeaban los detectores.

Mientras el frente de onda terminaba de pasar por el Sistema Solar, golpeó una sonda espacial más: el International Sun-Earth Explorer (ISEE, explorador internacional Sol-Tierra) en órbita alrededor del punto de gravitacón nula o de Lagrange del sistema Sol-Tierra. (Algunos años más adelante esa sonda salió del punto lagrangiano y fue enviada a la deriva a través de Sistema Solar en un esfuerzo por estudiar los cometas, y entonces fue renombrada International Cometary Explorer explorador cometario internacional o ICE.)

El detector de rayos gamma del ISEE estaba apuntado lejos del punto de llegada de los rayos gamma, pero éstos pasaron a través del sólido cuerpo de la nave espacial, se dispersaron y fueron absorbidos parcialmente, y aún así pudieron disparar el detector hasta su máximo. Dieciséis años después un equipo de científicos de Los Alamos hizo elaboradas simulaciones de computadora de los rayos gamma pasando a través de la nave espacial ISEE en un intento por lograr más información sobre este intenso estallido.


Curva de luz del suceso del 5 de mayo, tal como fue registrado por los detectores de rayos gamma
a bordo de la sonda espacial Venera 12. (De E.P. Mazets et al., 1979, Nature 282, p. 587.)

Todos los detectores mostraron que el estallido comenzó con un "pulso duro" de rayos gamma de una duración de 0,2 segundos. Este pulso fue unas 100 veces más intenso que cualquier otro destello de rayos gamma cósmicos que se hubiese detectado hasta ese momento. Diecinueve años después, sigue teniendo la posición de récord en un factor de más menos 10. El pulso duro saturó los detectores. A eso siguió una "cola blanda" mucho más débil de rayos gamma suaves (o rayos X duros), que duró más de 3 minutos e iba disminuyendo. Mientras disminuía, esta cola variaba además en intensidad de una forma similar a una senoide, pero con dos picos por ciclo, y con un período de 8,9 segundos. Las modulaciones de 8 segundos fueron observadas claramente por varios sensores diferentes durante más de 20 ciclos. Los astrónomos no habían visto nunca algo parecido a esta cola y no lo volvieron a ver durante 19 años.

Catorce horas y meda después, a la 1:17 de la madrugada del 6 de marzo, llegó otro estallido desde el mismo punto del firmamento, más suave, que sólo duró 1,5 segundos. Se puede ver, en retrospectiva, que ése fue un estallido normal de SGR en todas sus propiedades. Entonces, un mes después, el 4 de abril, y de nuevo el 24 de abril, se observaron estallidos de tipo SGR desde ese origen, cada uno de una duración de alrededor de 0,2 segundos. Durante los cuatro años siguientes se observaron 16 estallidos de tipo SGR desde ese origen. En mayo de 1983, la emisión de estallidos cesó. Desde entonces no se han detectado estallidos llegados desde esa fuente.

Varias personas sugirieron que los estallidos similares a SGR fueron un efecto residual del gran suceso del 5 de marzo, quizás una señal de que el generador de los estallidos se estaba "acomodando" en su estado post estallido. Los astrofísicos rusos observaron que la cola del suceso del 5 de marzo —la distibución de energías de los fotones duros de rayos X detectados— fue casi idéntica al espectro de los estallidos similares a SGR que siguieron. De modo que la cola podría considerarse un suceso SGR de "duración súper larga", aunque el pulso duro inicial del 5 de marzo de 1979 fue único.

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Se localiza el origen de los estallidos

En los meses y años posteriores al 5 de marzo de 1979, los científicos analizaron los datos provenientes de distintas naves espaciales. Todos los detectores tienen un reloj que marca el tiempo en que llegan por primera vez los rayos gamma, en un rango de milisegundos. Comparando esas marcas de tiempo en diferentes sitios del Sistema Solar, los astrónomos pudieron decir en qué ángulo pasó por el Sistema Solar el frente de onda plano de rayos gamma. Esto les dijo, a su vez, de qué lugar del firmamento llegó el estallido. Llevó más de un año determinarlo con precisión. El resultado fue una gran sorpresa.

Mapa de rayos X del resto de supernova N49 en la Gran Nube de Magallanes. Esta imagen en falso color (con colores diferentes para indicar las distintas intensidades de rayos X) fue realizado utilizando datos del telescopio ROSAT de rayos X. El rectángulo blanco largo y delgado en el centro y arriba muestra la posición del emisor de estallidos del 5 de marzo de 1979, como se ha inferido de los tiempos de arribo del pulso duro a las 7 naves espaciales. El punto de origen de rayos X cercano al centro del rectángulo es la SGR (que ahora se piensa que es una estrella de rayos X alimentada magnéticamente). Los otros rayos X vienen del gas calentado por la explosión de supernova. Para ver una imagen óptica del mismo resto de supernova, ingrese a esta foto del telescopio espacial Hubble.

La fuente resultó estar dentro de una pequeña área del firmamento donde se extienden los "restos de una supernova": la brillante nube de gas ardiente que queda después de una explosión estelar masiva. Sin embargo, este resto particular de supernova (SNR), con número de catálogo N49, no está en nuestra galaxia, la Vía Láctea. En cambio, SNR N49 está en una "galaxia enana satélite" de la Vía Láctea llamada Gran Nube Magallánica (LMC). LMC es un grupo irregular de estrellas que es bien visible en el cielo del Hemisferio Sur. Es uno de los conjuntos de estrellas más cercanos a nuestra galaxia, ubicado a 180.000 años luz de la Tierra. A LMC se le llama "galaxia enana satélite" porque es una galaxia pequeña que orbita a la Vía Láctea.

Las supernovas son comunes en LMC; de hecho, se ha observado allí el estallido de una en febrero de 1987: la "Supernova 1987A."

¿Podría haber estado la fuente del estallido del 5 de marzo mucho más cerca de nosotros que la Gran Nube Magallánica? Casi seguro que no. Una cosa así requerría que el suceso estuviese en una posición que se superponga con la pequeña SNR en la LMC, lo que sería una coincidencia tremendamente improbable. Así que hay pocas dudas de que la fuente fue realmente en la Gran Nube Magallánica, a 180.000 años luz de distancia, ó 1,7 x 1018 kilómetros.

Esto fue impactante. Todos esperaban que el origen estuviera en el vecindario galáctico cercano a nosotros, como mucho a unos pocos centenares de años luz de distancia.

Esto quiere deccir que el estallido ocurrió, en realidad, a una distancia de 180.000 años luz, bien antes del nacimiento de nuestra Historia, ya que los rayos gamma debieron viajar todo ese tiempo para llegar hasta nosotros. El "frente de onda plano" que pasó a través del Sistema Solar fue, en realidad, una parte de una esfera de radiación en expansión de 180.000 años luz de radio; sólo parece ser plano debido a que el radio de las esfera es enorme comparado con el tamaño del Sistema Solar.

El hecho de que la fuente está tan lejos significa que el estallido fue enormemente brillante, intrínsecamente. En el pico del estallido su brillo fue 10 veces mayor que todas las estrellas de nuestra galaxia puestas juntas, o más menos 10 veces más brillante que una explosión de supernova en su pico de brillo fotónico. (Observe que las estrellas galácticas y las supernovas radian mayormente en el rango óptico y de fotones de ultravioleta, mientras que la fuente del estallido del 5 de marzo irradió mayormente rayos gamma; de todos modos el gasto de energía es comparable.)

En las dos primeras décimas de segundo, el generador del estallido irradió tanta energía como la que irradia el Sol en 3.000 años.

Hubo un dato aún más impresionante... La posición del origen del estallido, determinada con precisión a partir de los datos de 7 naves espaciales, no caía en el centro de la SNR esférica, sino desplazada significativamente hacia un borde. (Vea la figura arriba.) Este desplazamiento fue verificado en 1991 cuando se encontró un débil y estable punto emisor de rayos X en la posición del generador del estallido, lo que permitió que se determinara su posición precisamente. (Esos rayos X son emitidos por el origen de los estallidos, evidentemente. Los astrónomos lo llaman una "fuente puntual" porque su tamaño y forma no se han medido: es tan pequeño que es indistinguible de un punto con los telescopios de rayos X actuales.)

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Teorías sobre el estallido del 5 de marzo

¿Qué causó el suceso del 5 de marzo? Asumiendo que la fuente del estallido del 5 de marzo se formó en la supernova que dio lugar a SNR N49, como parece probable, entonces podemos inferir que...


La fuente de estallidos del 5 de marzo tiene las siguientes propiedades
Lo más probable es que la fuente de estallidos sea una estrella de neutrones, ya que se sabe que las estrellas de neutrones se forman en el interior de las supernovas (por ejemplo la púlsar del Cangrejo que está dentro de la SNR Cangrejo). Una estrella de neutrones es una esfera ultradensa de neutrones, como un núcleo atómico gigante que flota y gira en el espacio. Tiene alrededor de 10 kilómetros de diámetro, con una masa comparable a la del Sol. Esta estrella se forma cuando una estrella común masiva termina su combustible nuclear. El núcleo de la estrella colapsa hacia dentro bajo su propia gravedad, convirtiéndose en una estrella de neutrones, mientras que el resto de la estrella es lanzado hacia fuera como supernova.
La fuente de estallidos es joven, hablando en escala astronómica: 10.000 años. Los astrónomos pueden estimar la edad de una SNR, es decir, cuánto hace que ocurrió la supernova. Esto se hace midiendo propiedades de la SNR, como su tamaño y ritmo de expansión. La SNR que contiene la fuente de estallidos del 5 de marzo tenía más o menos 5.000 años cuando ocurrió el estallido.
La fuente de estallidos nació moviéndose a una gran velocidad. Asumiendo que la fuente de estallidos se formó en el centro de la explosión de supernova explosion, lo que parece probable, debe haber adquirido un impulso de retroceso o velocidad del retroceso de cerca de 1.000 kilómetros por segundo, para sacarla del centro en los más o menos 5.000 años que pasaron antes de que ocurriera el estallido. Esto es bastante rápido para una estrella de neutrones, pero no es irracional.
Es probable que sea una estrella de neutrones "aislada", es decir, no está en un sistema estelar binario. Es evidente que la estrella de neutrones adquirió una elevada velocidad al formarse. Esto significa que es probable que no estuviera unida (por la gravedad) a una órbita alrededor de otra estrella. Si hubiese estado limitada cuando se formó la supernova, su alta velocidad la habría roto.
La modulación de 8 segundos parece indicar que la estrella está rotando sobre sí misma, dando una vuelta cada 8,0 segundos. Esto es muy lento en una estrella de neutrones joven y aislada. Por ejemplo, la púlsar del Cangrejo, una estrella de neutrones muy bien conocida en una SNR reciente, rota cada 33 milisegundos, ó 30 veces por segundo. (Cuando las estrellas de neutrones colapsan a partir del núcleo estelar, se comprimen repentinamente en un factor de 300 a 1, y giran más rápido sobre sí mismas por la misma razón que un patinador sobre hielo gira más rápido cuando baja sus brazos.)
La fuente puntual de rayos X indica que la estrella de neutrones está emitiendo energía constantemente, a partir de una fuente de energía (desconocida).

Nadie entendía por qué una estrella de neutrones podía tener este extraño conjunto de propiedades, o qué podía causar que emitiera estallidos tan espectaculares.

El los años 80 se propusieron varias teorías, sugiriendo, por ejemplo, que el suceso del 5 de marzo se había debido a que un pequeño planeta o un gran asteroide se había estrellado contra una estrella de neutrones, o que se había producido una "transición de fase" en el núcleo de una estrella de neutrones (es decir, que el núcleo de la estrella de neutrones cambió de alguna manera su estado al enfriarse, como el agua cuando se congela, liberando energía en el proceso), o propuestas aún más especulativas que involucraban unos nuevos objetos hipotéticos, tales como un "pequeño guijarro de quarks cayendo en una estrella de quark extraños". La mayoría de estas ideas sólo cubrían un subconjunto limitado de los datos conocidos. Casi ninguna de ellas atrajo muchos creyentes o fueron tema de más de un artículo de investigación.

Para los teóricos, era particularmente difícil explicar el enorme brillo de rayos gamma del pulso duro inicial del suceso del 5 de marzo. Si se intenta decir que se alimentó con un material que caía dentro de la estrella de neutrones (como un planeta o un asteroide), entonces la presión asociada con el mismo flujo de rayos gamma detendría la caída, y terminaría con la fuente de energía. Pero si se intenta creer que se alimentó de una fuente profunda dentro de la estrella de neutrones, como una transición de fase, es difícil creer que toda la energía pudiese salir con rapidez y en cantidad suficiente en forma de rayos gamma.

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Otras SGRs

En los años 90, el misterio de las SGR estimuló a varios astrónomos a apuntar todo tipo de telescopios hacia estos objetos. En 1991 se descubrió la fuente puntual de rayos X ubicada en el sitio de la fuente del estallido del 5 de marzo. Luego, en 1993 y 1994, se determinaron las ubicaciones de dos SGRs más.



SGR
1806-20

Este fue el primer suceso SGR al que se observó producir el estallido, en enero de 1979. Estuvo muy activo a mitad de los años 80, emitiendo más de 100 estallidos detectados. Desde 1990 ha estado activo esporádicamente. Los números "1806-20" se refieren a sus coordinadas en el firmamento: 18 horas, 06 minutos ascensión derecha, -20 grados de declinación. Su ubicación en el cielo es cercana a la posición del centro galáctico, en la constelación de Sagitario. El centro de la galaxia está a 25.000 años luz de distancia de nosotros, pero algunos investigadores han argumentado que SGR 1806-20 está ubicada mucho más atrás. Su distancia real es incierta.

En 1993, un equipo formado de astrónomos (principalmente) japoneses y dirigido por Toshio Murakhami detectó SGR 1806-20 utilizando el telescopio orbital de rayos X ASCA. Demostraron que SGR 1806-20 es una brillante estrella de rayos X, en estado de quietud (es decir, entre episodios de estallido). En 1998, Chryssa Kouveliotou et al. demostó que el brillo de esta estrella de rayos X pulsa a un ritmmo que se va enlenteciendo gradualmente, lo que aporta una fuerte corroboración al modelo de magnetar. Este fue el primero de varios desarrollos importantes durante 1998, el "Año de las Magnetares", del que hablaremos más adelante.

(Recomiendo que usted lea las secciones en orden, pero pongo aquí un salto hacia delante a 1998 para los obsesivos del hipertexto.)

La región del cielo que rodea a SGR 1806-20 está repleta de actividad de formación y muerte galáctica de estrellas, de modo que aún no está claro si existe un resto reciente de supernova asociado con SGR 1806-20.


¿Una estrella compañera de SGR 1806-20?

(Voy a explicar ahora cómo se confundieron los astrónomos con las propiedades de SGR 1806-20 a mitad de los años 90. No es importante científicamente, pero será interesante para los lectores avanzados.)

Poco después de que Murakhami y otros hallaran que SGR 1806-20 era una estrella de rayos X, los radiotelescopios detectaron una mancha de gas con brillo de radio que parecía rodearla. Esto llevó a los astrónomos a suponer que la SGR estaba lanzando un viento de partículas cargadas, como una púlsar de radio. (Nota: se habla de los vientos de las púlsares de radio en la próxima sección.) Los telescopios ópticos/infrarrojos descubrieron luego una estrella "bola de gas" alimentada por energía nuclear, muy masiva, brillante, caliente y joven ubicada en el centro preciso de las emisiones de radio. Por eso en la mitad de los 90 la mayoría de los astrónomos creyeron que SGR 1806-20 estaba en un sistema binario junto a esta estrella más ordinaria.

En 1999, Kevin Hurley de Berkeley y sus colaboradores utilizaron una Red Interplanetaria (IPN) de detectores de rayos gamma para definir la ubicación de SGR 1806-20 con una precicisión muy elevada. Descubrieron que la SGR estaba desplazada 0,004 grados (14 segundos de arco) del centro de la fuente de radio y la masiva estrella de energía nuclear. Este desplazamiento fue confirmado en el 2001 por el telescopio orbital Chandra de rayos X. Ahora sabemos que SGR 1806-20, como otras SGRs, es una brillante estrella de rayos X, pero no está emitiendo un viento estable de partículas cargadas que emiten radio (por lo menos no en niveles detectables) ni forma un sistema binario con ninguna estrella conocida.



SGR
1900+14

Esta estrella de la constelación del Águila ("Aquila the Eagle", en inglés), emitió 3 estallidos que fueron detectados en dos días a mediados de marzo de 1979. Luego se ha mantenido en quietud por cerca de dos décadas, excepto tres estallidos más que se observaron en 1992.

La ubicación de SGR 1900+14 se encontró en 1994 y se definió con gran precisión en 1998. Como otras SGRs, es una fuente puntual de rayos X continuos, pero está ubicada justo fuera del borde de una SNR reciente (con una edad de alrededor de 10.000 años) en nuestra galaxia. Si la SGR se formó en la supernova que dejó este resto, entonces debe haber adquirido tanta velocidad en su nacimiento que alcanzó y sobrepasó la cáscara de ardiente gas en expansión del resto. Esto es posible porque la SNR en expansión se va frenando al chocar con el difuso gas del que está llena nuestra galaxia. La velocidad estelar de impulso o retroceso es de alrededor de 1.500 a 2.000 km/s.

(Entre paréntesis, Kevin Hurley y sus colaboradores pronto determinarán si SGR 1900+14 nació o no realmente en esta SNR. En 2001, Hurley utilizó el telescopio Chandra de rayos X para medir con exactitud la localización de la estrella de rayos X. Pronto la volverán a medir. El Chandra, con su magnífica resolución espacial, debería ser capaz de determinar si la SGR se ha movido o no, verificando o desmintiendo que se mueve a alta velocidad.)

En el verano del 1998, después de décadas de una quietud casi completa, el infierno entero se liberó en la SGR 1900+14. Emitió entonces una gigantesca llamarada, muy parecida a la del suceso de marzo de 1979, como veremos luego...

SGR
1801-23

Esta fuente fue descubierta recién en 1997, cuando emitió 2 estallidos que se detectaron desde observatorios espaciales. Su posición aún no fue determinada con exactitud para ver si está asociada con una fuente puntual de rayos X, o SNR.

SGR
1627-41

Esta quinta SGR conocida fue descubierta por astrónomos de la NASA el 15 de junio de 1998. Emitió alrededor de 100 estallidos entre junio y julio de 1998, que fueron detectados por 4 observatorios de rayos X y gamma en el espacio. La posición de la nueva fuente de estallidos coincide con un resto de supernova cercano al plano galáctico. El período de rotación de esta SGR no se conoce con certeza, aunque hay algunas evidencias (ambiguas) de que sería de alrededor de 6,4 segundos.

En los años 90, mientras cantidad de astrónomos trabajaban para lograr estos avances en la observación, se desarrollaba la teoría "magnetar" de las SGRs. Esta teoría todavía se está comprobando y discutiendo. Al producirse más observaciones podría ser descartada. Sin embargo, hasta ahora parece estar favorecida por una amplia variedad de evidencias.

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Campos magnéticos de las estrellas de neutrones

La teoría "magnetar" de las SGRs surge de un intento de comprender un tema completamente distinto: el origen de los campos magnéticos en las púlsares de radio.

Las púlsares de radio son las estrellas de neutrones más comunes: se han detectado más de 1000 desde que se las descubrió en 1968. Ellas emiten haces de ondas de radio que barren el espacio al rotar la estrella, como los haces de un faro, por eso al ser vistas desde la distancia las púlsares parecen ser intermitentes o pulsar con el ritmo de sus períodos de rotación. Cuidadosas mediciones han demostrado que los períodos de las púlsares se alargan con el tiempo, lo que implica que las estrellas van enlenteciendo gradualmente su giro. Se atribuye esto a sus campos magnéticos. Las líneas de campo están ancladas a la superficie de la estrella de neutrones, debido a que son generadas por corrientes de electrones que circulan en su interior. Por esta razón, cuando la estrella gira el campo también debe hacerlo. Esto genera ondas magnéticas que se propagan junto con vientos difusos de partículas cargadas (emitidas por los haces de radio desde arriba de los polos magnéticos), lo que se lleva energía y causa que la estrella se vaya frenando gradualmente. El ritmo de frenado que se mide permite estimar el campo magnético. Para la mayoría de las púlsares de alrededor de 1012 Gauss en los polos magnéticos.

En 1986 Christopher Thompson (originalmente en Winnipeg, Canada; ahora en el Canadian Institute for Theoretical Astrophysics en Toronto) y yo comenzamos a estudiar una cuestión sobre la cual la mayoría de los astrofísicos ha especulado, que es: ¿por qué los campos magnéticos de las púlsares son de alrededor de 1012 Gauss? En ese momento ambos nos encontrábamos en la Universidad Princeton: Chris era un graduado y yo un asociado posdoctoral. Estábamos cautivados por unas simulaciones en computadora que habían mostrado que en una estrella de neutrones, un instante antes de que se forme, todo resulta mezclado. Especulábamos sobre cómo afectaría esto a sus campos magnéticos.

Las estrellas de neutrones recién formadas son muy calientes. Los modelos de computadora, realizados por Adam Burrows de la Universidad de Arizona y James Lattimer de la Universidad Estatal de New York en Stony Brook, mostraban que el fluido denso de neutrones dentro de una estrella de neutrones en nacimiento fluyen girando y revolviéndose, ayudando a transportar el calor, más o menos como el agua que hierve. Esa circulación se llama "convección". Se produce debido a que las porciones calientes de fluido suben, mientras que las más frías se hunden. (En un fluido nuclear caliente, la densidad de los electrones también afecta la flotabilidad del fluido y ayuda a impulsar la mezcla.)

Encontramos que el fluido de la estrella de neutrones, caliente y ultradenso, conduce mu

 
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