XRISM analiza profundamente un sistema estelar encubierto

Cygnus X3 y su halo de rayos X. Halo alrededor de la fuente de rayos X Cygnus X-3. El halo (más allá del anillo amarillo en el centro) se debe a la dispersión de los rayos X por los granos de polvo interestelar a lo largo de la línea de visión hacia la fuente. La línea horizontal nítida es un efecto instrumental. Crédito: NASA Science

Cygnus X-3 es un sistema binario que combina un tipo raro de estrella de gran masa con un compañero compacto, probablemente un agujero negro.

Cygnus X-3 es un sistema binario de masa elevada que consta de un objeto compacto (probablemente un agujero negro) y una estrella Wolf-Rayet caliente. Esta concepción artística muestra una interpretación del sistema. La espectroscopia de rayos X de alta resolución indica dos componentes de gas: un fuerte flujo de fondo, o viento, que emana de la estrella masiva y una estructura turbulenta (quizás una estela tallada en el viento) ubicada cerca de la estrella compañera en órbita. Como se muestra aquí, la gravedad de un agujero negro captura parte del viento en un disco de acreción a su alrededor, y el movimiento orbital del disco esculpe un camino (arco amarillo) a través del gas que fluye. Durante los fuertes estallidos, la estrella compañera emite chorros de partículas que se mueven cerca de la velocidad de la luz, que en la imagen se ven extendiéndose por encima y por debajo del agujero negro. Crédito de la imagen: NASA’s Goddard Space Flight Center

“La naturaleza de la estrella masiva es un factor que hace que Cygnus X-3 sea tan intrigante”, dijo Ralf Ballhausen, asociado postdoctoral en la Universidad de Maryland**, **College Park, y el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland. “Es una estrella Wolf-Rayet, un tipo de sol que ha evolucionado hasta el punto en que fuertes flujos de salida, llamados vientos estelares, arrancan gas de la superficie de la estrella y lo impulsan hacia afuera. El objeto compacto barre y calienta parte de este gas, lo que hace que emita rayos X”.

Un artículo que describe los hallazgos, dirigido por Ballhausen, aparecerá en una próxima edición de The Astrophysical Journal.

“Para XRISM, Cygnus X-3 es un objetivo ideal: su brillo es el adecuado en el rango de energía en el que XRISM es especialmente sensible”, dijo el coautor Timothy Kallman, astrofísico del Centro Goddard de la NASA. “Esta fuente inusual ha sido estudiada por todos los satélites de rayos X que han volado hasta ahora, por lo que observarla es una especie de rito de iniciación para las nuevas misiones de rayos X”.

XRISM (pronunciemos “crism”) es dirigido por la JAXA (Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón) en colaboración con la NASA, junto con contribuciones de la ESA (Agencia Espacial Europea). La NASA y la JAXA desarrollaron el instrumento espectrómetro de microcalorímetro de la misión, llamado Resolve.

Tras observar Cygnus X-3 durante 18 horas a finales de marzo, Resolve obtuvo un espectro de alta resolución que permite a los astrónomos comprender mejor la compleja dinámica de los gases que se producen allí, entre ellos el gas que emana de una estrella masiva y caliente, su interacción con la estrella compañera compacta y una región turbulenta que puede representar una estela producida por la estrella compañera mientras orbita a través del gas que emana.

El instrumento Resolve de XRISM ha capturado el espectro de rayos X más detallado adquirido hasta ahora de Cygnus X-3. Los picos indican rayos X emitidos por gases ionizados y los valles se forman donde los gases absorben rayos X; muchas líneas también se desplazan a energías más altas y más bajas por los movimientos de los gases. Arriba: El espectro completo de Resolve, de 2 a 8 keV (kiloelectronvoltios), sigue rayos X con miles de veces la energía de la luz visible. Algunas líneas están etiquetadas con los nombres de los elementos que las produjeron, como azufre, argón y calcio, junto con números romanos que hacen referencia a la cantidad de electrones que estos átomos han perdido. Abajo: Un acercamiento a una región del espectro a menudo dominada por características producidas por transiciones en la capa electrónica más interna (capa K) de los átomos de hierro. Estas características se forman cuando los átomos interactúan con rayos X o electrones de alta energía y responden emitiendo un fotón a energías entre 6,4 y 7 keV. Estos detalles, claramente visibles por primera vez con el instrumento Resolve de XRISM, ayudarán a los astrónomos a refinar su comprensión de este sistema inusual. Crédito de la imagen: JAXA/NASA/XRISM Collaboration

En Cygnus X-3, la estrella y el objeto compacto están tan cerca que completan una órbita en tan solo 4,8 horas. Se cree que el sistema binario se encuentra a unos 32.000 años luz de distancia en dirección a la constelación septentrional de Cygnus.

Aunque las espesas nubes de polvo en el plano central de nuestra galaxia ocultan cualquier luz visible proveniente de Cygnus X-3, el sistema binario ha sido estudiado en ondas de radio, infrarrojos y rayos gamma, así como en rayos X.

El sistema está sumergido en el gas que fluye de la estrella, que está iluminado e ionizado por los rayos X de la compañera compacta. El gas emite y absorbe rayos X, y muchos de los picos y valles prominentes del espectro incorporan ambos aspectos. Sin embargo, un simple intento de comprender el espectro resulta insuficiente porque algunas de las características parecen estar en el lugar equivocado.

Esto se debe a que el rápido movimiento del gas desplaza las características normales de sus energías debido al efecto Doppler. Los valles de absorción suelen desplazarse hacia energías más altas, lo que indica que el gas se mueve hacia nosotros a velocidades de hasta 1,5 millones de kilómetros por hora (930.000 mph). Los picos de emisión se desplazan hacia energías más bajas, lo que indica que el gas se aleja de nosotros a velocidades más lentas.

Algunas características espectrales mostraron valles de absorción mucho más fuertes que picos de emisión. La razón de este desequilibrio, concluye el equipo, es que la dinámica del viento estelar permite que el gas en movimiento absorba una gama más amplia de energías de rayos X emitidas por la estrella compañera. El detalle del espectro aportado por XRISM, particularmente en energías más altas ricas en características producidas por átomos de hierro ionizado, permitió a los científicos desentrañar estos efectos.

“Una de las claves para obtener este detalle fue la capacidad de XRISM de monitorear el sistema a lo largo de varias órbitas”, dijo Brian Williams, científico del proyecto de la misión, de la NASA en Goddard. “Hay mucho más que explorar en este espectro y, en última instancia, esperamos que nos ayude a determinar si el objeto compacto de Cygnus X-3 es, de hecho, un agujero negro”, concluyó.

XRISM es una misión en la que colaboran la JAXA y la NASA, en la que participa la ESA. La contribución de la NASA incluye la participación científica de la CSA (Agencia Espacial Canadiense).

El artículo NASA, JAXA XRISM Mission Looks Deeply Into ‘Hidden’ Stellar System fue publicado en el sitio de la NASA, con la firma de Francis Reddy, Science writer de la University of Maryland College Park, quien además realizó los gráficos. El ilustrador es Scott Wiessinger (eMITS). Muchas gracias NASA’s Goddard Space Flight Center. Same to Tim Kallman (NASA/GSFC) Ralf Ballhausen (University of Maryland College Park)

English version

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NASA, JAXA XRISM Mission Looks Deeply Into ‘Hidden’ Stellar System

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Francis Reddy wrote the article published on Nasa’s site.

Cygnus X-3 is a binary that pairs a rare type of high-mass star with a compact companion — likely a black hole.

Cygnus X-3 is a high-mass binary consisting of a compact object (likely a black hole) and a hot Wolf-Rayet star. This artist’s concept shows one interpretation of the system. High-resolution X-ray spectroscopy indicates two gas components: a heavy background outflow, or wind, emanating from the massive star and a turbulent structure — perhaps a wake carved into the wind — located close to the orbiting companion. As shown here, a black hole’s gravity captures some of the wind into an accretion disk around it, and the disk’s orbital motion sculpts a path (yellow arc) through the streaming gas. During strong outbursts, the companion emits jets of particles moving near the speed of light, seen here extending above and below the black hole. NASA’s Goddard Space Flight Center

“The nature of the massive star is one factor that makes Cygnus X-3 so intriguing,” said Ralf Ballhausen, a postdoctoral associate at the University of Maryland, College Park, and NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. “It’s a Wolf-Rayet star, a type that has evolved to the point where strong outflows called stellar winds strip gas from the star’s surface and drive it outward. The compact object sweeps up and heats some of this gas, causing it to emit X-rays.”

A paper describing the findings, led by Ballhausen, will appear in The Astrophysical Journal.

“For XRISM, Cygnus X-3 is a Goldilocks target — its brightness is ‘just right’ in the energy range where XRISM is especially sensitive,” said co-author Timothy Kallman, an astrophysicist at NASA Goddard. “This unusual source has been studied by every X-ray satellite ever flown, so observing it is a kind of rite of passage for new X-ray missions.”

XRISM (pronounced “crism”) is led by JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) in collaboration with NASA, along with contributions from ESA (European Space Agency). NASA and JAXA developed the mission’s microcalorimeter spectrometer instrument, named Resolve.

Cygnus X3 and its X-ray halo. Halo around the X-ray source Cygnus X-3. The halo (beyond the yellow ring in the center) is due to scattering of the x-rays by interstellar dust grains along the line of sight to the source. The sharp horizontal line is an instrumental effect. Credit: NASA Science

Observing Cygnus X-3 for 18 hours in late March, Resolve acquired a high-resolution spectrum that allows astronomers to better understand the complex gas dynamics operating there. These include outflowing gas produced by a hot, massive star, its interaction with the compact companion, and a turbulent region that may represent a wake produced by the companion as it orbits through the outrushing gas.

XRISM’s Resolve instrument has captured the most detailed X-ray spectrum yet acquired of Cygnus X-3. Peaks indicate X-rays emitted by ionized gases, and valleys form where the gases absorb X-rays; many lines are also shifted to both higher and lower energies by gas motions. Top: The full Resolve spectrum, from 2 to 8 keV (kiloelectron volts), tracks X-rays with thousands of times the energy of visible light. Some lines are labeled with the names of the elements that produced them, such as sulfur, argon, and calcium, along with Roman numerals that refer to the number of electrons these atoms have lost. Bottom: A zoom into a region of the spectrum often dominated by features produced by transitions in the innermost electron shell (K shell) of iron atoms. These features form when the atoms interact with high-energy X-rays or electrons and respond by emitting a photon at energies between 6.4 and 7 keV. These details, clearly visible for the first time with XRISM’s Resolve instrument, will help astronomers refine their understanding of this unusual system. JAXA/NASA/XRISM Collaboration

In Cygnus X-3, the star and compact object are so close they complete an orbit in just 4.8 hours. The binary is thought to lie about 32,000 light-years away in the direction of the northern constellation Cygnus.

While thick dust clouds in our galaxy’s central plane obscure any visible light from Cygnus X-3, the binary has been studied in radio, infrared, and gamma-ray light, as well as in X-rays.

The system is immersed in the star’s streaming gas, which is illuminated and ionized by X-rays from the compact companion. The gas both emits and absorbs X-rays, and many of the spectrum’s prominent peaks and valleys incorporate both aspects. Yet a simple attempt at understanding the spectrum comes up short because some of the features appear to be in the wrong place.

That’s because the rapid motion of the gas displaces these features from their normal laboratory energies due to the Doppler effect. Absorption valleys typically shift up to higher energies, indicating gas moving toward us at speeds of up to 930,000 mph (1.5 million kph). Emission peaks shift down to lower energies, indicating gas moving away from us at slower speeds.

Some spectral features displayed much stronger absorption valleys than emission peaks. The reason for this imbalance, the team concludes, is that the dynamics of the stellar wind allow the moving gas to absorb a broader range of X-ray energies emitted by the companion. The detail of the XRISM spectrum, particularly at higher energies rich in features produced by ionized iron atoms, allowed the scientists to disentangle these effects.

“A key to acquiring this detail was XRISM’s ability to monitor the system over the course of several orbits,” said Brian Williams, NASA’s project scientist for the mission at Goddard. “There’s much more to explore in this spectrum, and ultimately we hope it will help us determine if Cygnus X-3’s compact object is indeed a black hole.”

XRISM is a collaborative mission between JAXA and NASA, with participation by ESA. NASA’s contribution includes science participation from CSA (Canadian Space Agency).