Púlsar de milisegundos

Un púlsar de milisegundos ( MSP ) es un púlsar con un período de rotación menor a unos 10 milisegundos . Se han detectado púlsares de milisegundos en las porciones de radio , rayos X y rayos gamma del espectro electromagnético . La hipótesis principal sobre el origen de los púlsares de milisegundos es que son estrellas de neutrones viejas y de rápida rotación que han sido aceleradas o "recicladas" mediante la acreción de materia de una estrella compañera en un sistema binario cercano. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Por esta razón, a los púlsares de milisegundos a veces se les llama púlsares reciclados .

Se cree que los púlsares de milisegundos están relacionados con sistemas binarios de rayos X de baja masa . Se piensa que los rayos X en estos sistemas son emitidos por el disco de acreción de una estrella de neutrones, producido por las capas exteriores de una estrella compañera que ha desbordado su lóbulo de Roche . La transferencia de momento angular de este evento de acreción puede aumentar la velocidad de rotación del púlsar a cientos de veces por segundo, como se observa en los púlsares de milisegundos.

Recientemente se ha demostrado que el modelo evolutivo estándar no logra explicar la evolución de todos los púlsares de milisegundos, especialmente los jóvenes con campos magnéticos relativamente altos, como PSR B1937+21 . Bülent Kiziltan y SE Thorsett ( UCSC ) demostraron que los diferentes púlsares de milisegundos deben formarse mediante al menos dos procesos distintos. ^{[ 4 ]} Sin embargo, la naturaleza del otro proceso sigue siendo un misterio. ^{[ 5 ]}

Muchos púlsares de milisegundos se encuentran en cúmulos globulares . Esto es consistente con la hipótesis de aceleración de rotación de su formación, ya que la densidad estelar extremadamente alta de estos cúmulos implica una probabilidad mucho mayor de que un púlsar tenga (o capture) una estrella compañera gigante. Actualmente se conocen aproximadamente 130 púlsares de milisegundos en cúmulos globulares. ^{[ 6 ]} El cúmulo globular Terzan 5 contiene 37 de ellos, seguido de Tucanae con 22 y M28 y M15 con 8 púlsares cada uno.

El primer púlsar de milisegundos, PSR B1937+21 , fue descubierto en 1982 por Backer et al . ^{[ 7 ]} Con una rotación de aproximadamente 641 veces por segundo, sigue siendo el segundo púlsar de milisegundos de rotación más rápida de los aproximadamente 200 que se han descubierto. ^{[ 8 ]} El púlsar PSR J1748-2446ad , descubierto en 2004, es el púlsar de rotación más rápida conocido, hasta 2025, con una rotación de 716 veces por segundo. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Los modelos actuales de estructura y evolución de las estrellas de neutrones predicen que los púlsares se desintegrarían si giraran a una velocidad de aproximadamente 1500 rotaciones por segundo o más, ^{[ 11 ] [ 12 ]} y que a una velocidad superior a unas 1000 rotaciones por segundo perderían energía por radiación gravitacional más rápido de lo que el proceso de acreción los aceleraría. ^{[ 13 ]}

A principios de 2007, los datos del Rossi X-ray Timing Explorer y de la nave espacial INTEGRAL descubrieron una estrella de neutrones, XTE J1739-285, que gira a 1122  Hz. ^{[ 14 ]} El resultado no es estadísticamente significativo, con un nivel de significancia de solo 3 sigma . Si bien es un candidato interesante para futuras observaciones, los resultados actuales no son concluyentes. Aun así, se cree que la radiación gravitacional juega un papel en la ralentización de la velocidad de rotación. Un púlsar de rayos X que gira a 599 revoluciones por segundo, IGR J00291+5934 , es un candidato principal para ayudar a detectar tales ondas en el futuro (la mayoría de estos púlsares de rayos X solo giran a alrededor de 300 rotaciones por segundo).

Los púlsares de milisegundos, que pueden cronometrarse con alta precisión, tienen una estabilidad comparable a la de los estándares de tiempo basados ​​en relojes atómicos cuando se promedian durante décadas. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Esto también los convierte en sondas muy sensibles de sus entornos. Por ejemplo, cualquier cosa colocada en órbita alrededor de ellos causa desplazamientos Doppler periódicos en los tiempos de llegada de sus pulsos a la Tierra, que luego pueden analizarse para revelar la presencia del compañero y, con suficientes datos, proporcionar mediciones precisas de la órbita y la masa del objeto. La técnica es tan sensible que incluso objetos tan pequeños como los asteroides pueden detectarse si resultan orbitar un púlsar de milisegundos. Los primeros exoplanetas confirmados , descubiertos varios años antes de las primeras detecciones de exoplanetas alrededor de estrellas "normales" similares al Sol, se encontraron en órbita alrededor de un púlsar de milisegundos, PSR B1257+12 . Estos planetas siguieron siendo, durante muchos años, los únicos objetos con masa de la Tierra conocidos fuera del Sistema Solar . Uno de ellos, PSR B1257+12 b , tiene una masa aún menor, un poco menos del doble que la de la Luna , y sigue siendo hoy el objeto de menor masa conocido fuera del Sistema Solar. ^{[ 17 ]}

Las ondas gravitacionales son una predicción importante de la teoría general de la relatividad de Einstein y resultan del movimiento global de la materia, las fluctuaciones durante el universo primitivo y la dinámica del espacio-tiempo . Los púlsares son estrellas de neutrones altamente magnetizadas que giran rápidamente y se forman durante las explosiones de supernovas de estrellas masivas. Actúan como relojes de gran precisión con numerosas aplicaciones físicas, desde la mecánica celeste y la sismología de estrellas de neutrones hasta las pruebas de gravedad de campo intenso y la astronomía galáctica .

La propuesta de utilizar púlsares como detectores de ondas gravitacionales fue formulada originalmente por Sazhin ^{[ 18 ]} y Detweiler ^{[ 19 ]} a finales de la década de 1970. La idea consiste en considerar el baricentro del sistema solar y un púlsar distante como los extremos opuestos de un brazo imaginario en el espacio. El púlsar actúa como reloj de referencia en un extremo del brazo, emitiendo señales regulares que son monitorizadas por un observador en la Tierra. El efecto de una onda gravitacional que pasa cerca sería perturbar la métrica espaciotemporal local y provocar un cambio en la frecuencia de rotación observada del púlsar.

Hellings y Downs ^{[ 22 ]} extendieron esta idea en 1983 a un conjunto de púlsares y descubrieron que un fondo estocástico de ondas gravitacionales produciría una correlación cuadrupolar entre diferentes pares de púlsares en función de sus separaciones angulares en el cielo. Este trabajo tuvo una sensibilidad limitada por la precisión y estabilidad de los relojes de los púlsares en el conjunto. Tras el descubrimiento del primer púlsar de milisegundos en 1982, Foster y Backer ^{[ 23 ]} mejoraron la sensibilidad a las ondas gravitacionales aplicando en 1990 el análisis de Hellings-Downs a un conjunto de púlsares de milisegundos altamente estables.

La llegada de los sistemas de adquisición de datos digitales, los nuevos radiotelescopios y sistemas receptores, y el descubrimiento de muchos nuevos púlsares de milisegundos aumentaron la sensibilidad de la red de cronometraje de púlsares a las ondas gravitacionales en las primeras etapas del esfuerzo internacional. ^{[ 24 ]} La publicación de datos de cinco años, el análisis y el primer límite NANOGrav sobre el fondo estocástico de ondas gravitacionales fueron descritos en 2013 por Demorest et al. ^{[ 25 ]} A esto le siguieron las publicaciones de datos de nueve y once años en 2015 y 2018, respectivamente. Cada una limitó aún más el fondo de ondas gravitacionales y, en el segundo caso, se refinaron las técnicas para determinar con precisión el baricentro del sistema solar.

En 2020, la colaboración presentó la publicación de datos de 12,5 años, que incluía una fuerte evidencia de un proceso estocástico de ley de potencias con amplitud de deformación e índice espectral comunes en todos los púlsares, pero datos estadísticamente no concluyentes para la correlación espacial cuadrupolar crítica de Hellings-Downs . ^{[ 26 ] [ 27 ]}

En junio de 2023, NANOGrav publicó su conjunto de datos de 15 años, al mismo tiempo que el conjunto de datos combinado del European Pulsar Timing Array y el Indian Pulsar Timing Array , el tercer conjunto de datos del Parkes Pulsar Timing Array y el primer conjunto de datos del Chinese Pulsar Timing Array . Estos conjuntos de datos presentaron la primera evidencia de un fondo estocástico de ondas gravitacionales . En particular, incluyeron las primeras mediciones de la curva de Hellings-Downs, ^{[ 28 ]} el signo revelador del origen de ondas gravitacionales de las observaciones. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} El MeerKAT Pulsar Timing Array publicó más evidencia de la curva de Hellings-Downs en diciembre de 2024. ^{[ 34 ]}

• "Catálogo de púlsares de milisegundos" . 30 de septiembre de 2013.
• " Cómo giran tan rápido los púlsares de milisegundos. Archivado el 28/06/2006 en Wayback Machine ". Universe Today .
• " Una estrella de rápida rotación podría poner a prueba las ondas gravitacionales ". New Scientist .
• " Los derviches giratorios astronómicos disimulan bien su edad ". Astronomía Ahora .
• Audio: Cain/Gay - Pulsars Astronomy Cast - Noviembre de 2009.