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27 de Junio de 2017
Astrofísica

La supernova simulada y la real

Un nuevo estudio respalda la teoría vigente sobre cómo se producen las explosiones supernova en las que colapsa el núcleo de una estrella: los neutrinos desempeñan un papel esencial.

Representación artística de una supernova (en este caso del tipo Ia, la explosión de una enana blanca que ha recibido gas desde una estrella compañera, mientras que la de Casiopea A fue IIb, uno de los tipos en los que el núcleo de una estrella de gran masa colapsa) [ESO/Asymmetric Ashes].

Las estrellas de masa elevada terminan su vida en una inmensa explosión, que recibe el nombre de supernova (aunque algunas quizá tengan un destino un tanto diferente). Con ella expelen la mayor parte de su gas hacia el espacio exterior y «cocinan» los elementos más pesados, que son muy importantes para nuestra propia vida. Los procesos físicos que conforman esos estallidos estelares no se conocen todavía con toda seguridad. Unas simulaciones muy elaboradas efectuadas por un grupo de investigadores del Instituto Max Planck de Astrofísica, en Garching, Alemania, y del RIKEN, un instituto japonés, podrían ahora haber avanzado en ese conocimiento: han reproducido con gran exactitud la distribución espacial de los elementos radiactivos en Casiopea A, que es la nube de restos de una supernova, pese a que el modelo no estaba ajustado de antemano para ello. Y así, han ratificado que los neutrinos impulsan las explosiones de estrellas en las que el núcleo del astro se derrumba sobre sí mismo, como ocurrió en la que creó a Casiopea A.

Los observadores del cielo conocen las supernovas desde hace mucho; abundan en los documentos históricos indicios de su detección. La investigación moderna las ha estudiado con precisión. Se ha llegado a saber así que algunas de esas explosiones son estallidos de estrellas de masa elevada, producidos cuando su núcleo se contrae hasta formar un objeto sumamente denso: una estrella de neutrones (en ocasiones, un agujero negro). Se libera entonces una enorme cantidad de energía y la estrella moribunda expulsa las capas de gas, de elementos químicos más pesados cuanto más profunda es la capa, que rodean al núcleo de la estrella (su parte más interna). Pero pese a las observaciones, los astrónomos siguen sin estar seguros de cuál es el curso exacto de los acontecimientos dentro de una supernova.

Según se suele aceptar, los neutrinos impulsan la explosión supernova de esas estrellas cuyo núcleo se derrumba. Estas partículas, de masa pequeñísima, se generan durante el colapso del núcleo y extraen una gran cantidad de energía desde el centro de la estrella. Aunque el gas circundante absorba solo una pequeña parte de los neutrinos, se calentará tanto que finalmente, de un golpe, será expelido hacia el espacio.

Unos investigadores, dirigidos por Annop Wongwalhanarat, del RIKEN, se valieron de ese modelo neutrínico para efectuar una simulación detallada de una supernova. Sus cálculos por ordenador representaron, entre otras cosas, la distribución espacial de los átomos radiactivos de titanio 44 y níquel 56 en distintos instantes de tiempo tras la explosión. Estos elementos se desintegran con el tiempo en calcio y hierro estables; la energía así liberada enciende un resplandor en la nube de gas durante muchos años.

Estos investigadores han comparado los resultados de sus cálculos con las observaciones de Casiopea A, una nube de gas a unos 11.000 años-luz de distancia, en la constelación de Casiopea. Es el residuo de la explosión de una estrella; su brillo debió de llegar a la Tierra hace unos 340 años, aunque no hay ningún testimonio claro de ello. Han comprobado que la coincidencia con el modelo informático es asombrosa. Con el ángulo de visión adecuado, se observa que los elementos radiactivos se reparten en los restos de esa supernova real de modo casi idéntico a como lo hacen en la simulada, hasta el punto de que parece que los investigadores, sin haber sido esa su intención, hubiesen estado haciendo desde el principio un modelo de Casiopea A.

Simulación de la distribución del níquel 56 (en verde) y del titanio 44 (en azul), según un modelo por ordenador de la explosión de una estrella. El ángulo de visión está elegido de forma que guarde la mayor semejanza posible con el de Casiopea A, nebulosa constituida por los restos reales de una supernova. El punto rojo señala el centro de la explosión, el blanco la posición de la estrella de neutrones y la flecha, la dirección en que se mueve. El parecido con lo que se observa realmente en Casiopea A es muy grande [Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA)]En Casiopea A choca sobre todo la desigual distribución de los gases: las estructuras más brillantes y grandes se encuentran en dirección Norte; la explosión de la estrella, pues, debió de desarrollarse muy asimétricamente. Concuerdan con ello las observaciones de la estrella de neutrones originada en la supernova, que desde el centro se desplaza a gran velocidad hacia el sur. Que la mayor parte de la materia, y por lo tanto de la masa, sea arrojada hacia el norte dota al cadáver estelar de un impulso en sentido contrario. También este efecto se reproduce con asombrosa precisión en las simulaciones, que lo asocian directamente al fundamento de la teoría: puesto que los neutrinos generados en el núcleo calientan las capas exteriores de manera no homogénea a causa de inestabilidades hidrodinámicas, el material es expelido por la explosión de una manera muy dependiente de la dirección.

«Esta capacidad de reproducir características esenciales de las observaciones por medio de refinados modelos teóricos verifica de manera impresionante que Casiopea A es el residuo gaseoso de una supernova impulsada por neutrinos, que impartieron a los gases que rodeaban a lo que se estaba convirtiendo en una estrella de neutrones los poderosos movimientos que desencadenaron la explosión», sostiene Hans Thomas Janka, profesor del Max Planck. Los investigadores recalcan, sin embargo, que se necesitan más investigaciones para consolidar lo que han obtenido. Quieren, para ello, poner otros restos de supernova bajo la lupa y compararlos con sus predicciones teóricas.

Paul Heeren/Spektrum de Wissenschaft

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Spektrum der Wissenschaft.

Referencia: «Production and Distribution of ⁴⁴Ti and ⁵⁶Ni in a Three-dimensional Supernova Model Ressembling Cassiopeia A». Annon Wongwathanarat et al. en The Astrophysical Journal, volumen 842, número 1, 7 de junio de 2017. Se puede leer en el repositorio arXiv.

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