Estrellas de Neutrones y Pulsares

Transcripción

1 Estrellas de Neutrones y Pulsares Conferencia para todo público. Ciudad de Córdoba 7 de noviembre de 2008 René D. Rohrmann Observatorio Astronómico Univ. Nac. de Córdoba

2 Crónicas de un nacimiento - año 1054 En Sung-shih (crónicas de la dinastía Sung) se lee: En el 1er año del reinado de Chi-ho, mes quinto, chi-chou [día 4, julio 1054], una estrella visitante apareció varias pulgadas al sur-este de Tian-kuan [Aldelbaran]. Después de un año y algo más, ésta desapareció gradualmente. 1er año del reinado de Chih-ho, mes séptimo, día 22 (17-agosto-1054) Yang Wei-te escribió: Observé modestamente que una estrella nueva apareció. Arriba tiene una débil incandescencia amarilla. Si se analizan cuidadosamente los pronósticos concernientes al emperador, la interpretación es la siguiente: el hecho que la estrella forastera no rebase a Pi y a su brillo, significa que [el emperador] es una persona de gran valor y dignidad. En el 3er mes del 1er año del reinado de Chia-yu, se escribió: Durante el 5to mes del 1er año del rein. de Chi-ho, la estrella nueva apareció en la mañana al este de Tian-kuan. Fue visible a la luz del día, similar a Venus. Tenía rayos en cuatro direcciones y su color era blanco-rojizo. Fue visible a la luz del día durante 23 días.

3 Nebulosa del Cangrejo Constelación del Taurus, cerca de Aldebarán y de las Pléyades 6 años luz Distancia: 6000 años luz Imagen óptica Chandra-Nasa

4 Otros nacimientos 11 nov. 1572: Tycho Brahe α = 0h 25,3m δ = Constelación de Casiopea Magnitud visual de la SN: -4!! Distancia: años luz Su libro The Nova Stella dió origen al término nova. Pero lo que Brahe observó se conoce como supernova. Lo que hoy vemos en su lugar es un remanente de supernova. Chandra NASA 2 años luz

5 Nebulosa de Kepler 9 oct. 1604: otros + Kepler α = 17h 30,6m δ = Constelación de Ophiuchus Mag. visual de la SN: -2.5! Distancia: > años luz Observada durante 18 meses En el pie de Ofiuco Imagen óptica Chandra-Nasa

6 Hacia 1934: Proc. N.A.S. Vol. 20, pag 254 Novas: fenómeno relativamente común en la Galaxia (10 a 20 por año) Supernovas en la Galaxia (registro actual): Año Fecha Const A.R. Declin. Mag : Supernova: Explosión de una estrella de gran masa, resultado de un proceso de evolución, dando origen a un objeto colapsado llamado estrella de neutrones. La existencia de tales objetos se confirmaría unos 30 años después. Magnitudes visuales de comparación: Sol: -26,8 Luna llena: -12,6 Venus: -4,4 (máx) Sirio: -1,5

7 Primer pulsar detectado Más de 50 citas ese mismo año en Nature y Phys. Rev. Letter PSR (α = 19h 22m, δ = ) Señal cada segundos obtenida por Anthony Hewish & Jocelyn Bell (1967) con el Radiotelescopio del Observatorio de Mullard. En 1968 Thomas Gould identifica la fuente como originaria de una estrella de neutrones y propone el modelo de faro. Distancia del radio-pulsar a la Tierra: 2283 años luz

8 Emisión Sincrotrón Tierra: cinturón de van Allen, da origen a las auroras. B=10 12 gauss = 1 billón B (B =0.6 gauss) Emisión sincrotrón de un pulsar: radiación producidad por electrones que se mueven en las líneas de un campo magnético intenso. Auroras Foto satélite IMAGE-NASA (2005)

9 Modelo de Faro El período mejor medido: Pulsar: B Mediciones durante 9 años Exactamente: giros Período: ms Error: ± ms Compite con la precisión de un reloj atómico! Propuesto por Thomas Gould en 1968 [ms = milisegundos]

10 Que más emite un pulsar? El espectro electromagnético Radiotelescopio Parkes Australia Observatorio Chandra-NASA Emisiones de un pulsar Radiación electromagnética Ondas de radio (+importante) Luz visible (detección difícil) Rayos X (pulsar milisegundos) Rayos gamma (idem anterior) Radiación no-electromagnética Neutrinos (detección muy difícil) Ondas gravitacionales (aún no detectadas)

11 Detecciones en el óptico Vela Pulsares ópticos m B D[kpc] P[ms] Cangrejo PSR Geminga Vela Geminga PSR Shearer & Golden, MPE Report 278, 44 (2002) Cangrejo Imagen en 800 nm (Univ. Cambridge)

12 Cuántos Pulsares hay? Total detectados: 1600 Casi todos dentro de la Vía Láctea, y cerca de su disco. La mayoría de ellos son: Normales: períodos seg Pero hay unos 90 de períodos muy cortos: Milisegundos: miliseg.!

13 Intermedio: fuerzas y estabilidad Escalas: pasos de electrón electrón 1 metro Comparación de fuerzas entre dos e- atracción gravitatoria repulsión electrostática =10-48 (un uno seguido de 48 ceros) 10 micras 1 Angstrom 1 fermi Las fuerzas electrostáticas (unas atractivas y otras repulsivas) tienden a equilibrarse a distintas escalas macroscópicas. Pero la gravedad es sólo atractiva y su efecto es acumulativo. Sobre extensiones grandes de materia (planetas, estrellas) la gravedad resulta una fuerza dominante.

14 Como resistir a la gravedad... Con electrostática Sol Con agitación térmica Con exclusión de Pauli

15 Porqué neutrones? Principio de exclusión de Pauli Límite de Chandrasekhar Evaluación de Landau Dos partículas elementales con la misma velocidad no pueden compartir el mismo lugar. Con electrones se frena el colapso gravitatorio de un fósil estelar de hasta 1,44 la masa del Sol. Con neutrones se frena el colapso gravitatorio de un fósil estelar de hasta 2,5 la masa del Sol. Enana Blanca Estrella de neutrones Tierra Reacción básica: Protón + Electrón Neutrón + Neutrino (escapan)

16 Pulsares normales Estrella con núcleo agotado 8 M o más Supernova km Protón + Electrón Neutrón + Neutrino 1.4 M 15 km Pulsar Densidad núcleo atómico Temperatura superficial millón de grados Gravedad un billón de veces la de la Tierra Rotación: varios giros por segundo Campo magnético: billón de veces el de la Tierra

17 Supernovas: progenitoras de estrellas de neutrones Tipo I Binaria, enana blanca recibe masa de la compañera Tipo II estrella de gran masa aislada En ambos casos la masa superó el límite de Chandrasekhar

18 Pulsares de milisegundos Algunos se han detectado con el radiotelescopio de Arecibo. Se originan en sistemas binarios. La secundaria, de menor masa, evoluciona más lentamente, y puede finalizar como una enana blanca. Durante la captura de material el pulsar emite gran cantidad de rayos X

19 Pulsares binarios La detección del primer pulsar doble se anunció el 8 de enero de 2004, fue descubierto por un equipo internacional con el radiotelescopio de Parkes (Australia). PSR J P 1 = 23 ms, P 2 = 2,8 s Distancia: años luz Separación: km Período orbital: 2,4 horas Fusión: 85 millones de años Visión artística (no a escala) del pulsar doble actual

20 Nacimiento de un pulsar binario (ilustrativo)

21 Distorción del espacio y del tiempo...por efecto de la gravedad Einstein 1916

22 Deflección de la luz estrella Sol Telescopio Foto del eclipse solar de 1919, expedición de Eddington en Africa, primera prueba de la teoría general de la relatividad Ilustración de un fondo estelar ditorsionado junto a una estrella de neutrones

23 Retardo de Shapiro Ondas de radar se envían desde la Tierra y se hacen rebotar en Marte o Venus. Se mide el tiempo de retorno. Las primeras pruebas las realizó Irwin Shapiro en El efecto es ampliamente usado en el estudio de pulsares en binarias, permite evaluar las masas estelares.

24 Avance del periastro Mercurio-Sol: 43 arco/año Orbitas de Kepler: alteradas PSR ,2 /año Hulse & Taylor El avance del periastro en PSR es en un día lo que para Mercurio en un siglo

25 Ondas gravitacionales Pulsar+NS: PSR : primera detección NS doble P 1 = 59 ms Distancia: años luz Separación: 1,1-4,8 R Período orbital: 7,75 horas Fusión: 300 millones de años actual Retraso del período orbital: 75 millonésimas de seg/año Prueba indirecta de la existencia de ondas gravitacionales 250 millones.. de años Hulse & Taylor, Premio Novel 1993 Orbitas Sol

26 Estructura de una estrella de neutrones Neutrones o quarks? Concepción actual: Núcleos atómicos y electrones Neutrones libres, protones y electrones corteza Subpartículas núcleo externo Vida media de un neutrón aislado: 886,7 seg núcleo interno 15 km El estudio de estrellas de neutrones y pulsares, con la identificación de sus masas y radios, ayuda a comprender las propiedades de la materia a enormes presiones y el comportamiento de las partículas subatómicas.

27 Cronología parcial 1054 Crónicas Chinas (nebulosa del Cangrejo) 1572 Brahe 1604 Kepler 1932 Landau (núcleo estelar condensado) 1939 Oppenheimer & Volkoff (primer modelo) 1967 Hewish (primera detección de un pulsar) 1982 Desde Arecibo (primer pulsar de milisegundos)

28 Estrellas de Neutrones y Pulsares Laboratorios naturales de la materia y de la energía en condiciones extremas FIN