Los púlsares son básicamente faros cósmicos. Son estrellas de neutrones que giran rápidamente, cadáveres superdensos de estrellas masivas que explotaron como supernovas. Estos objetos son increíblemente densos. Una sola estrella de neutrones tiene entre 1,18 y 1,97 veces la masa de nuestro Sol en una esfera de sólo 20 kilómetros de ancho. La mayoría tiene alrededor de 1,35 masas solares.
Ellos giran. Rápido.
El primero de estos objetos fue encontrado en 1967 por Antony Hewish y Jocelyn Bell en la Universidad de Cambridge. Utilizaron un radiotelescopio diseñado para captar fluctuaciones rápidas en las fuentes de radio. Lo que vieron fueron pulsos extremadamente regulares. Algunos púlsares emiten ondas de radio. Otros destellan con luz visible, rayos X o radiación gamma. Incluso los hay radiosilenciosos que sólo chirrían en longitudes de onda de rayos X o gamma.
El mecanismo es simple pero violento. Cuando una estrella colapsa, los neutrones de la superficie se desintegran en protones y electrones. Estas partículas cargadas son arrancadas de la superficie y golpean un intenso campo magnético. Estamos hablando de 10^12 gauss aquí. Por contexto, el campo magnético de la Tierra es débil, 0,5 gauss.
Las partículas aceleran a velocidades cercanas a la luz. Emiten radiación sincrotrón. Esto sale disparado en forma de intensos rayos desde los polos magnéticos. Pero aquí está el problema: los polos magnéticos no se alinean con los polos de rotación. Entonces, a medida que la estrella gira, esos rayos recorren el espacio. Si la Tierra se encuentra en el camino, detectamos un pulso constante y rítmico.
Desde ese primer descubrimiento, los astrónomos han encontrado alrededor de 2.000 púlsares. No están dispersos al azar. La mayoría se agrupan alrededor del plano de la Vía Láctea.
El récord de velocidad
Los púlsares varían enormemente en la velocidad a la que giran. El púlsar más lento observado tarda unos 11,8 segundos en completar una rotación. Eso es lento para una estrella.
Luego tienes los púlsares de milisegundos.
Durante más de dos décadas, el poseedor del récord fue el PSR J1939+2134. Descubierto en 1982, gira 642 veces por segundo. Su período es de sólo 1,55 milisegundos.
En 2006, se batió ese récord. J1748−2446ad gira 716 veces por segundo. Su período es de 1,396 milisegundos.
¿Por qué hay un límite? Fuerza centrífuga. Si una estrella de neutrones gira mucho más rápido, la fuerza en su ecuador supera la gravedad. La estrella se desgarraría. La velocidad de escape en la superficie de una estrella de neutrones es aproximadamente la mitad de la velocidad de la luz. La atracción gravitacional es así de fuerte. Sin embargo, estas estrellas rozan el límite teórico.
Los púlsares de milisegundos suelen formarse en sistemas estelares binarios. La estrella de neutrones acumula materia de su compañera después de la supernova. Esa masa adicional y el momento angular lo hacen girar. Es como un patinador artístico tirando de sus brazos, pero a escala galáctica.
Fallos y ondas de gravedad
Los púlsares se están desacelerando. Muy lentamente. Normalmente en una millonésima de segundo por año.
Esta desaceleración permite a los astrónomos calcular una “edad característica”. Se toma el período actual y se divide por la tasa de desaceleración. Es una estimación aproximada. A veces coincide con la edad real. El Pulsar del Cangrejo, nacido de una supernova en 1054 d.C., tiene una edad característica de 1.240 años. Eso está cerca.
Otras veces, está apagado. Pulsar J0205+6449 se formó en 1181 CE. Su edad característica es de 5.390 años. Eso está muy lejos.
Como la desaceleración es tan gradual, estos objetos son relojes increíblemente precisos. Y debido a que tienen campos gravitacionales tan fuertes, son sujetos de prueba perfectos para las teorías de la gravedad.
En 1993, Joseph Taylor y Russell Hulse ganaron el Premio Nobel de Física. Estudiaron el púlsar PSR 1913+16. Está en una órbita estrecha con otra estrella de neutrones. La gravedad de las dos estrellas altera la regularidad de los pulsos de radio. Al cronometrar estas variaciones, Taylor y Hulse vieron las estrellas girando cada vez más rápido en una órbita cada vez más pequeña.
Estaban perdiendo energía. La única explicación eran las ondas gravitacionales. Esta fue la primera prueba experimental de las ondas predichas por Albert Einstein en su teoría general de la relatividad.
Luego están los fallos.
Una falla es un salto repentino en el período del púlsar. Gira y luego disminuye gradualmente hasta alcanzar el valor anterior al fallo. Esto sucede debido a los “terremotos de estrellas”. La rígida corteza de hierro de la estrella se resquebraja. O el acoplamiento entre la corteza y el interior fluido cambia. Normalmente, el interior gira más rápido que la corteza. A veces la corteza se pone al día. O resbalones. El tiempo cambia.
Usamos estos fallos para sondear la estructura interior de estrellas que no podemos ver. Mapeamos lo invisible viendo parpadear la luz.
“Estas velocidades de giro están cerca del límite teórico para un púlsar porque una estrella de neutrones que girara sólo unas cuatro veces más rápido se separaría”.
Es extraño pensar que la muerte de una estrella pueda convertirse en una herramienta para medir el tiempo. O darle la razón a Einstein décadas antes de que pudiéramos detectar las ondas en el espacio-tiempo. La Nebulosa del Cangrejo brilla. Los púlsares de milisegundos hacen tictac. Y simplemente escuchamos.
Todavía existen púlsares radiosilenciosos. No sabemos dónde están todos. La Vía Láctea es grande. El universo es más grande. Y los faros siguen girando.
Los púlsares del Cangrejo y Vela no son simplemente peonzas. Son motores de energía-vampiros, que pierden velocidad de rotación tan rápido que la pérdida de energía se manifiesta en todo el espectro electromagnético. Esto no es sólo teoría. Es una realidad observable que parpadea en nuestros detectores cada milisegundo.
Tomemos como ejemplo el Pulsar de Cangrejo. En fotografías ópticas, parece una modesta estrella de magnitud 16 situada justo en el corazón de la Nebulosa del Cangrejo. Pero una vez que miras más de cerca, la luz no sólo brilla. Pulsa. Los astrónomos del Observatorio Steward en Arizona captaron exactamente este comportamiento en 1968, poco después del descubrimiento inicial de la radio. La luz visible parpadea exactamente al mismo ritmo que las ondas de radio. También emite pulsos regulares de rayos X y rayos gamma. Es una baliza de múltiples longitudes de onda.
Luego está el Vela Pulsar. Es mucho más débil en luz visible, rondando la magnitud 24. Se necesita equipo serio para verlo. Una búsqueda cuidadosa realizada en 1977 utilizando el gran telescopio anglo-australiano en Parkes logró detectarlo. Vela también pulsa en rayos X. Pero su fama son los rayos gamma. Es la fuente más intensa de este tipo de radiación en todo el cielo. Pulsos de rayos gamma regulares y predecibles.
La mecánica de la acreción y las anomalías
No todos los púlsares de rayos X siguen las mismas reglas. Algunos son púlsares “acumulados”. Viven en sistemas binarios. La estrella de neutrones extrae material de su estrella compañera. Esa materia cae por las líneas del campo magnético y choca contra los casquetes polares magnéticos. El impacto libera rayos X. Es un rumbo de colisión cósmica.
Entonces tienes la clase “anómala”. Estos son raros. Sus períodos se extienden más allá de los cinco segundos. Estallan de forma impredecible con actividad de rayos X. A menudo están relacionados con restos de supernovas. Estos objetos nacen de estrellas de neutrones altamente magnetizadas, conocidas como magnetares. Sus campos magnéticos oscilan entre 10^14 y 10^15 gauss. Eso es inimaginablemente fuerte.
Estos magnetares también se superponen con otro grupo: los repetidores suaves de rayos gamma. No sólo pulsan. Estallaron. Estallidos repetidos de rayos gamma que iluminan el cosmos en destellos caóticos.
El misterio de solo gamma
Algunos púlsares no emiten ninguna onda de radio. Sólo brillan con rayos gamma. El telescopio espacial Fermi de rayos gamma cambió las reglas del juego aquí. En 2008, encontró el primer púlsar de este tipo dentro del remanente de supernova CTA 1. Desde entonces, ha añadido once más a la lista.
El mecanismo de emisión desafía aquí a los modelos estándar. Los púlsares de radio reciben su señal de haces de partículas que salen disparados de los polos magnéticos. Los púlsares de rayos gamma únicamente no funcionan de esa manera. La emisión se produce lejos de la superficie de la estrella de neutrones. La física detrás de esta emisión de brecha sigue siendo una caja negra.
Sabemos que existen. Podemos contarlos. Pero aún se desconoce el proceso físico preciso que genera estos pulsos de rayos gamma. El motor arranca, la luz parpadea, pero todavía estamos adivinando la mecánica.
