Formación dinámica de binarios de rayos X en el núcleo de la galaxia de Andrómeda

Los científicos del Instituto Max Planck de Astrofísica han identificado una población inusual de fuentes brillantes compactas de rayos X en el núcleo de la galaxia de Andrómeda. Estas fuentes son alimentadas por la acreción en objetos relativísticos y se han formado en encuentros cercanos de agujeros negros y estrellas de neutrones con estrellas ordinarias, lo que ocurre frecuentemente en el ambiente de alta densidad estelar del núcleo de esa galaxia.

Fig. 1: Imagen de rayos X en el interior de la protuberancia de la galaxia de Andrómeda en la banda de 0.5-2 keV obtenidos por Chandra. La mayoría de las fuentes en el interior del círculo de color azul oscuro (radio de 60 ") se forman a través de la captura de marea de estrellas de baja masa por agujeros negros y estrellas de neutrones y por las colisiones de estas ultimas con gigantes rojas.

Fig. 2: La distribución radial de fuentes compactas de rayos X en M31. Dos suaves líneas solidas muestran proyectada las distribuciones de masa estelar ρ * y de su cuadrado ρ * ².

Se ha sabido que la relación entre el número de binarios de rayos X de baja masa (LMXBs) y la masa estelar es dos órdenes de magnitud mayor en cúmulos globulares que en el disco galáctico. Con la llegada de Chandra y XMM-Newton, se han hecho posibles los estudios de rayos X de fuentes puntuales en las galaxias externas, y han demostrado que también hay cúmulos globulares que son especialmente abundantes en LMXBs. Esto se atribuye a procesos dinámicos mediante los cuales se forman LMXBs en encuentros cercanos de objetos compactos con estrellas normales. El más conocido de ellos es la captura de la marea de una estrella de secuencia principal por una estrella de neutrones o un agujero negro. También son importantes las colisiones de objetos compactos con gigantes rojas y las reacciones de intercambio en el curso de las interacciones binaria-única. Debido a la dependencia de ρ * ² del encuentro de dos cuerpos sobre la densidad estelar ρ son frecuentes en los cúmulos globulares y son insignificantes en el campo. Por ejemplo, en galaxias elípticas masivas caracterizadas por un sistema rico en cúmulos globulares, aproximadamente 2/3 de los binarios de rayos X pueden estar localizados en los cúmulos globulares.

En la parte central de las galaxias masivas, la densidad estelar puede alcanzar valores de entre 103 y 104 masas solares por parsec cúbico. Esto sigue siendo algo inferior a las densidades encontradas en la mayoría de los cúmulos globulares luminosos, donde se encuentran preferentemente los LMXBs. Sin embargo, el gran volumen esá compensado por la menor densidad y loa LMXBs se pueden crear cerca de los centros galácticos, en encuentros de dos cuerpos en número significativo. Debido a la gran masa estelar contenida en la región central de una galaxia, existen allí.un número de LMXBs primordiales formado mediante el camino evolutivo standard. A pesar de que estos no pueden distinguirse fácilmente de las binarios resultantes de encuentros de dos cuerpos, puede ser empleado un criterio estadístico el cual ha sido utilizado anteriormente para el descubrimiento de formaciónes dinámicas de binarios en cúmulos globulares. El volumen de la densidad de LMXBs primordiales sigue la distribución de la masa estelar en una galaxia mientras que la distribución espacial de los binarios formados dinámicamente se espera que obedezca la ley ρ * ² / v . Por lo tanto esta última se espera que sea mucho más concentrada hacia el centro de la galaxia de acogida, revelándose a sí misma como una población de fuentes "excedentes" en su núcleo.

M31 es la galaxia espiral "de tamaño completo" más cercana . A una distancia de 780 kpc las fuentes de rayos X pueden ser fácilmente resueltas con Chandra, incluso cerca del centro de la galaxia (Figura 1). Se ha explorado extensamente con Chandra. Usando estos datos nos encontramos con un aumento significativo de la frecuencia específica de las fuentes de rayos X por unidad de masa estelar, dentro de 1 arcmin desde el centro de la galaxia. La distribución radial de los fuentes excedentes en esta región sigue la ley ρ * ² (Fig. 2), sugiriendo que son binarios de rayos X de baja masa formados dinámicamente en el denso ambiente estelar en el interior del bulto.

Si bien las interacciones dinámicas en cúmulos globulares se han investigado en los 70-s y los 80-s, el rango de los parámetros típicos de los centros galácticos permanece inexplorado. Las velocidades de las estrellas son un orden de magnitud mayor en el bulto, cambiando el carácter de las interacciones dinámicas y, por lo tanto, el papel de los diferentes canales de formación. Hemos investigado la formación dinámica de binarios y su evolución posterior para la fase activa de rayos X en régimen de alta velocidad estelar. Encontramos que los binarios de rayos X se forman en el bulto de una típica galaxia espiral a una velocidad de entre 50 y 100 por Gyr. Los cálculos sugieren que la mayoría de las fuentes excedentes resultan de la captura de marea de agujeros negros por estrellas de la secuencia principal de baja masa, M <0.3msol,>37 y períodos orbitales de aproximadamente 1 a 2 horas y aún más cortos. Debido al pequeño tamaño de los discos de acreción en tales sistemas una gran parte de los agujeros negros puede ser fuente persistente de rayos X, en contraste con la población de la mayoría de agujeros negros primordiales transitorios en el disco galáctico. Algunas de las fuentes serán binarios de rayos X ultracompactos con compañeras estrella de helio/enana blanca formados en las colisiones de objetos compactos con gigantes rojas. También predecimos un gran número de débiles transitorias dentro de aproximadamente 1 arcmin del centro galáctico de M31, tanto para los sistemas BH como NS. Estos últimos pueden ser progenitores de los púlsares de acreción de milisegundos, similares a la famosa SAX J1808.4-3658 descubierto en nuestra galaxia hace diez años.

BH: Agujero negro
NS: Estrella de neutrones
1 Gyr: 1000.000.000 de años
LX: luminosidad del cúmulo en rayos-X
1 arcmin: un minuto de arco
1 kev: 1000 electon-volt
1 kpc: 1000 parsecs
1 parsec: 3,26 años luz
M31: galaxia de Andrómeda
Bulto: en astronomía, un bulto es un grupo cuidadosamente embalado de estrellas. El término se refiere casi exclusivamente al grupo central de estrellas en la mayoría de las galaxias espirales.

Fuente: "Dynamical formation of X-ray binaries in the nucleus of Andromeda galaxy". Marat Gilfanov y Rasmus Voss, Febrero 2009, Instituto Max Planck de Astrofísica.

Imágenes: Figuras 1 y 2, Instituto Max Planck de Astrofísica.