Nuevas perspectivas sobre los sistemas binarios de estrellas de neutrones

Las binarias de Rayos X de baja masa con estrellas de neutrones (NS LMXBs) son sistemas estelares binarios especiales. En estos sistemas, una estrella de neutrones, que es el núcleo sobrante de una estrella masiva que explotó, atrae material de una estrella compañera. La estrella compañera suele ser más pequeña y menos masiva. A medida que la estrella de neutrones jala materia de la estrella compañera, este proceso genera mucha energía. Esta energía se libera en forma de rayos X, haciendo que estos sistemas sean muy brillantes en luz de rayos X.

#Diferencias Entre Estrellas de Neutrones y Agujeros Negros

Cuando comparamos NS LMXBs con agujeros negros de baja masa (BH LMXBs), vemos algunas diferencias clave. Los agujeros negros se han estudiado más a fondo y entendemos mejor su comportamiento. En los sistemas de agujeros negros, la relación entre el material que cae hacia el agujero negro y las emisiones de radio de los jets (corrientes de partículas cargadas expulsadas del sistema) sigue un patrón claro. Este patrón a menudo implica un cambio entre diferentes estados o modos basado en el brillo de rayos X.

Sin embargo, la situación no está del todo clara en los sistemas de estrellas de neutrones. Observamos que los cambios en la Emisión de Radio y el brillo de rayos X no siempre siguen el mismo patrón que en los sistemas de agujeros negros. Esto nos lleva al estudio de un sistema particular de estrella de neutrones conocido como 4U 1820-30.

#Visión General del Sistema 4U 1820-30

4U 1820-30 es un objetivo único porque tiene un periodo orbital muy corto de solo 11.4 minutos, lo que lo convierte en uno de los sistemas binarios de rayos X más cortos conocidos. Está compuesto de una estrella de neutrones que se alimenta de material de una compañera enana blanca. Este sistema se encuentra en un cúmulo globular y ha sido clasificado como una fuente atoll, lo que se refiere al tipo específico de comportamiento observado en sus emisiones de rayos X.

A través de observaciones extensas, se ha descubierto que 4U 1820-30 exhibe una Modulación superorbital que dura alrededor de 170 días. Durante este tiempo, el sistema transita entre altos y bajos brillos de rayos X, que llamamos "modos".

#Campaña Observacional

En 2022, se llevó a cabo una campaña observacional detallada para estudiar 4U 1820-30. Esta campaña utilizó varios observatorios de rayos X y radio para monitorear el sistema de cerca durante su ciclo superorbital. El objetivo era entender cómo cambian las propiedades de rayos X del sistema mientras también se observan variaciones en las emisiones de radio.

#Características de la Emisión de Rayos X

Los rayos X emitidos por 4U 1820-30 son bastante complejos. El espectro de rayos X del sistema se puede describir utilizando varios componentes. Estos incluyen:

1. Disc Blackbody: Este componente representa las emisiones del Disco de Acreción alrededor de la estrella de neutrones. El disco está compuesto de material que se calienta a medida que espirala hacia la estrella de neutrones.

2. Espectro de Comptonización: Este espectro surge cuando los fotones de rayos X suaves del disco interactúan con electrones calientes. La interacción provoca que los fotones ganen energía y aparezcan como rayos X más duros.

3. Línea de Emisión de Hierro K: Alrededor de 6.6 keV, hay una característica notable en el espectro de rayos X relacionada con la presencia de hierro, que se puede usar para trazar las condiciones cerca de la estrella de neutrones.

En modos de alto brillo, se encontró que el tamaño del área que proporciona fotones semilla para la Comptonización-donde los rayos X ganan energía-era mayor, mientras que en modos bajos, esta área se redujo significativamente.

#Variaciones en las Propiedades de Rayos X

La campaña reveló que las propiedades de la Capa Límite y el disco de acreción de la estrella de neutrones se mantuvieron estables durante todo el periodo de monitoreo. Sin embargo, el componente de Comptonización-la parte responsable de las emisiones de alta energía-mostró variaciones significativas.

Al pasar de modo alto a modo bajo, el área responsable de generar estos fotones semilla disminuyó de aproximadamente 15 km a alrededor de 10 km. Este cambio tuvo implicaciones para la energía disponible para la corona-la región exterior de la estrella de neutrones que contribuye a las emisiones de rayos X.

Además, el estudio notó que la temperatura electrónica de la corona mostró ligeros aumentos al cambiar de modos altos a bajos.

#Cambios en la Emisión de Radio

Uno de los hallazgos intrigantes de la campaña observacional fue la variación significativa en las emisiones de radio de 4U 1820-30. Durante los modos bajos, las emisiones de radio fueron notablemente más brillantes, mostrando un aumento de cinco veces en comparación con los modos altos.

A diferencia de los sistemas de agujeros negros, donde los cambios de radio a menudo se acoplan con cambios en los estados espectrales, las variaciones en este sistema de estrella de neutrones parecían estar más relacionadas con cambios en la capa límite que con la transición entre estados duros y suaves.

#Implicaciones del Comportamiento de la Capa Límite

La capa límite es crucial para entender la relación entre las emisiones de rayos X y las emisiones de radio en el sistema. La campaña propuso que durante los modos altos, la capa límite proporciona energía sustancial a la corona, lo que lleva a un efecto de enfriamiento. En los modos bajos, la situación se invierte, y hay menos energía, permitiendo que la corona se caliente.

Lo que se hace evidente es una posible conexión entre el estado de la capa límite y las propiedades del jet. Esto implica que la capa límite puede estar regulando las condiciones que influyen en el comportamiento del jet.

#Capa Límite y Evolución del Jet

El estudio presenta una nueva forma de ver la relación entre la capa límite y los jets. A diferencia de los modelos tradicionales que se centran en cómo el disco de acreción influye en el lanzamiento del jet, parece que la capa límite tiene un papel clave.

Durante los modos variables, el brillo de la capa límite y su interacción con la corona afecta las propiedades de los jets. Por ejemplo, cuando la capa límite es menos activa en modos bajos, las emisiones de radio se vuelven más fuertes, mostrando un efecto de desacoplamiento.

#Conclusión y Direcciones Futuras

Los resultados de la campaña observacional sobre 4U 1820-30 contribuyen a nuestro entendimiento sobre cómo funcionan los sistemas de estrellas de neutrones. Destacan las complejidades y variaciones en las emisiones de rayos X y radio y sugieren una relación más intrincada entre la capa límite y el comportamiento del jet.

Futuras observaciones y campañas serán importantes para probar estas ideas y determinar si mecanismos similares se aplican a otros NS LMXBs. Al realizar estudios más detallados sobre cómo evolucionan los procesos de acreción y eyección con el tiempo, podemos obtener una comprensión más profunda de la física que rige estos fascinantes objetos celestiales.