Discos alrededor de púlsares ultrarrápidos con período de milisegundo: Observaciones y simulaciones numéricas

08/11/2024

Eda Vurgun defendió su tesis doctoral titulada “Púlsares binarios compactos de milisegundo: observaciones de rayos X y simulaciones numéricas” el 7 de noviembre de 2024 en el Campus del Besòs. La tesis ha sido codirigida por Domingo García Senz y Manuel Linares Alegret

Discos alrededor de púlsares ultrarrápidos con período de milisegundo: Observaciones y simulaciones numéricas — A) Observaciones de archivo de Chandra-ACIS del núcleo de M28 en tres épocas tomadas en 2002 (OBS ID:2684), 2008 (OBS ID:9132) y 2015 (OBS OD: 16750) y de izquierda a derecha. La fuente M28I transiciona entre los estados de emisión púlsar (observaciones de 2002 y 2015) y el estado dominado por el disco (observación de 2008). B) Región más interna del disco de acreción antes (izquierda: mapa de color de la densidad del disco) y después (derecha; mapa de color de la temperatura) de que comience la radiación electromagnética de la estrella de neutrones. Se encontró que incluso para ángulos de declinación magnética pequeños, como por ejemplo ζ =100, el disco queda sustancialmente alterado provocando la interrupción de la caída de materia hacia la EN, lo que a su vez suprime la emisión de rayos X.

Los púlsares con período de milisegundo (MSP) representan un subconjunto especial y fascinante de púlsares impulsados por rotación. Los MSP se distinguen por sus períodos de rotación excepcionalmente rápidos (Ps < 30 milisegundos) y sus potentes campos magnéticos (que oscilan entre 10⁸ y 10⁹ Gauss). Se cree que estas estrellas de neutrones (EN) que giran rápidamente se forman mediante un proceso en el que la transferencia de masa desde una estrella compañera en un sistema binario hace que la estrella de neutrones se acelere y gire con períodos de milisegundo. Este proceso de “reciclaje” no sólo rejuvenece el púlsar sino que también arroja arrojar luz sobre los complejos mecanismos de la evolución estelar.

Esta tesis consta de dos partes. La primera parte explora una población de estrellas de neutrones utilizando datos de observación de rayos X (parte observacional, primera figura). Se sabe que los cúmulos globulares (GC) son extremadamente eficientes en la formación de MSP y binarias de rayos X de baja masa (LMXB), debido a sus altas densidades estelares. Dado que muchos de esos MSP y LMXB están estrechamente empaquetados dentro del núcleo del GC, sus contrapartidas de rayos X solo pueden resolverse completamente utilizando la resolución angular de sub-arco de segundo de Chandra. En esta tesis, se presenta un estudio profundo del GC M28 (NGC 6626). Descubrimos una modulación del flujo orbital de rayos X de doble pico en M28I (IGR J18245–2452) durante su estado de púlsar, centrada alrededor de la conjunción inferior del púlsar. Utilizando modelos de atmósfera de estrellas de neutrones con hidrógeno y helio superficial, inferimos un radio de estrella de neutrones de R = 9,2 - 11,5 km y R = 13,0 - 17,5 km, respectivamente, para una masa de estrella de neutrones de 1,4 Mʘ (rango de confianza del 68%).

En la segunda parte de la tesis, estudiamos la interacción del campo magnético de la EN con el disco de acreción cercano, realizando simulaciones detalladas de magnetohidrodinámica (MHD) que incorporan estructuras de disco realistas a las simulaciones numéricas (parte de simulación, segunda figura). El objetivo principal de esta sección es dilucidar el mecanismo que impulsa las transiciones de estado en los MSP transicionales, cuyo origen físico sigue siendo en gran medida desconocido. Para realizar las simulaciones, utilizamos un código de hidrodinámica de partículas suavizadas (SPH) MHD y axisimétrico, desarrollado recientemente en nuestro grupo. Algunas simulaciones previas sin campo magnético permitieron establecer una configuración de disco estable, que sirvió como base del estudio principal. Simulaciones posteriores introdujeron campos magnéticos creados por la EN y con diferentes ángulos de inclinación entre el eje de rotación de la EN y el momento magnético para estudiar su impacto en la estabilidad del disco y la evolución a corto plazo de la porción simulada del disco. Nuestras simulaciones mostraron, por primera vez, que con los rotadores alineados se mantenía la estabilidad del disco tras completar múltiples órbitas, mientras que ángulos de inclinación con valor moderado o alto desestabilizaban el disco bloqueando la acreción de materia desde disco a la EN.

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