La búsqueda de los orígenes de ciertos fotones es una actividad apasionante para muchos astrofísicos, ya que identificar sus fuentes podría ayudar a responder preguntas fundamentales sobre el universo. Un tipo particular de fotón, conocido como el de 511 keV, ha llamado la atención debido a su notable presencia en las cercanías del núcleo galáctico, sin que hasta ahora se haya identificado una fuente suficientemente prolífica que los genere. Un reciente estudio publicado en el servidor de preprints arXiv por los investigadores Zachary Metzler y Zorawar Wadiasingh de la Universidad de Maryland y del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, sugiere que una posible fuente podrían ser los sistemas binarios de púlsares de milisegundos (MSP).
La singularidad de los fotones de 511 keV
Los fotones de 511 keV son únicos porque se generan durante el proceso de «anihilación», que ocurre cuando un positrón y un electrón colisionan, transformándose en energía emitida en forma de un fotón de 511 keV. Si los científicos logran identificar la fuente de estos fotones en el centro de nuestra galaxia, también podrán detectar un abundante origen de anihilación de electrones y positrones.
Existen varias teorías sobre las posibles fuentes de los fotones de 511 keV, que van desde rayos X de jets binarios hasta la anihilación de materia oscura. Sin embargo, los autores del estudio creen que un tipo específico de púlsar binario podría ser un contribuyente significativo. Un MSP es un sistema estelar binario que contiene un púlsar que rota una vez cada pocos milisegundos. Las fuerzas extremas actuando sobre estas estrellas las convierten en objetos de gran interés, sobre todo cuando están acompañadas por una estrella compañera, que puede no ser un púlsar, creando interacciones aún más intrigantes.
En su trabajo, los autores modelaron varios tipos de sistemas binarios MSP y descubrieron propiedades únicas que merecen ser investigadas con los nuevos observatorios de rayos gamma y detectores de ondas gravitacionales. A continuación, se detallan tres posibles descubrimientos relevantes.
En primer lugar, los investigadores sugieren que podrían obtenerse detalles sobre los exoplanetas que acompañan a un MSP analizando las señales emitidas por el sistema. La señal de 511 keV puede variar según la dinámica orbital del sistema, creando desplazamientos hacia el rojo y azul a medida que las estrellas orbitan entre sí y posiblemente alrededor de un exoplaneta.
Además, los astrónomos podrían aprender sobre la composición de la estrella compañera mediante el análisis de los cambios en la «eficiencia de producción» de los fotones de 511 keV, que varían según los materiales presentes en la estrella. Información sobre la dinámica orbital y la composición del material podría revelar la presencia de exoplanetas en el sistema.
Una segunda vía de investigación radica en la búsqueda de «sistemas ultra compactos», donde el MSP y su estrella compañera se encuentran en proximidad muy cercana. Estos sistemas suelen ser omitidos en los sondeos de púlsares, ya que los algoritmos utilizados no pueden analizar las interacciones entre las dos estrellas para diferenciarlas, lo que genera un vacío parcial en la literatura astronómica.
Sin embargo, los sistemas ultra compactos con MSPs generarían líneas de 511 keV masivas, puesto que el haz del púlsar pasaría con frecuencia sobre la atmósfera exterior de su estrella compañera, creando amplias oportunidades para la anihilación de electrones y positrones, y, por ende, para la emisión de fotones de 511 keV más intensos.
Por último, el haz de un púlsar podría conducir a un tercer descubrimiento: la identificación de púlsares cuya radiación no se orienta directamente hacia la Tierra. Normalmente, los púlsares se descubren porque su «haz» de energía pasa directamente por nuestro planeta, permitiendo la detección de su energía, sin importar la distancia. Sin embargo, se especula que existen muchos púlsares cuyos haces no apuntan hacia nosotros, lo que impide la recopilación de datos sobre ellos.
Los sistemas binarios MSP, en cambio, permitirían observar los púlsares desde un nuevo ángulo, a través de los fotones de 511 keV generados cuando su haz impacta en la estrella compañera. Estos fotones son menos direccionales que el haz del púlsar, por lo que, aunque el haz no apunte directamente hacia la Tierra, algunos de los fotones de 511 keV derivados de la anihilación de electrones en la atmósfera superior de la estrella sí lo harán, permitiéndonos identificar que un púlsar está interactuando con su estrella compañera.
Tal como discuten los autores en su artículo, su trabajo es aún teórico, sustentado por modelos. En los próximos años se lanzarán nuevas generaciones de instrumentos de detección, como el Compton Spectrometer and Imager (COSI), cuya puesta en órbita está prevista para 2027. Con el poder de observación adicional que proporcionarán estas plataformas, los astrónomos deberían reunir suficientes datos para poner a prueba esta teoría y rastrear más de estos intrigantes fotones, sin importar su fuente.
