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  • 15/11/2017

Astrofísica

Una supernova «loca» y una nueva forma de morir las estrellas

Los astrónomos están desconcertados por una extraña supernova de una lejana galaxia, una reliquia, quizá, de eras cósmicas muy antiguas. 

Nature

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Una red mundial de telescopios, astrónomos observacionales y astrofísicos teóricos, viejas placas fotográficas...: todo lo que hace falta para descubrir una posible nueva forma de morir las estrellas [Fotoilustración de Olena Shmahalo/Quanta Magazine].

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En septiembre de 2014, los astrónomos vieron un punto de luz que se apagaba en una pequeña galaxia a 500 millones de años luz de distancia. Parecía una supernova corriente, una estrella moribunda que estalló y cuya luz iba apagándose. Pero en el enero siguiente, Zheng «Andrew» Wong, estudiante en prácticas del observatorio de Las Cumbres, en Goleta, California, se percató de que la luz se abrillantaba de nuevo.

Cuando enseñó este extraño cambio a su supervisor, el astrónomo Iair Arcavi, a este se le abrieron los ojos como platos, recuerda Wong. Arcavi se convenció enseguida de que la fuente de la luz, cuyo nombre era iPTF14hls, no era en realidad una supernova, sino más bien una estrella pulsante (o variable) cercana, superpuesta por casualidad sobre la galaxia distante. Arcavi estaba tan seguro que «me habría apostado el coche a que era una estrella variable». No obstante, le ayudó a Wong a tomar un espectro de iPTF14hls, para que la medición de su color dijese su composición química. Para su estupefacción, el espectro resultó ser exactamente el de una supernova de tipo IIP, el más común y mejor conocido tipo de estrella grande, explosiva, moribunda. Cuando una supernova del tipo IIP estalla, su brillo aumenta, se estabiliza durante unos 100 días (de ahí la «P», por la palabra plateau, o meseta, rellano, referida al aspecto que toma ese rasgo en la gráfica del brillo) y luego decae hasta que se extingue. «Nunca habíamos visto a una supernova así decaer y reanimarse de nuevo», dice Arcavi, que, con 52 colaboradores, informó del descubrimiento de iPTF14hls en la revista Nature el 9 de noviembre. «Fue entonces cuando comprendimos que teníamos algo muy interesante».

Desde ese momento, la red global de telescopios robóticos de Las Cumbres observó constantemente a iPTF14hls mientras seguía reencendiéndose y apagándose. Se descubrió otro aspecto extraño de la supernova: la velocidad medida del material que explota, que normalmente disminuye con el tiempo porque materiales más lentos, de las profundidades de la supernova, van haciéndose visibles, permanecía desconcertantemente alta. Esta es una supernova loca, escribió Arcavi en la ficha sobre iPTF14hls correspondiente al 16 de mayo de 2015, más de 250 días después del descubrimiento. «Qué pena que pronto vaya quedar detrás del Sol».

Para cuando saliese de nuevo, sin duda, ya no habría ni rastro de ella, creían los científicos. Pero cuando llegó septiembre y iPTF14hls reapareció desde detrás del Sol, ahí estaba su luz. En realidad, era más brillante que antes.

«Alguien está jugando con nosotros ahí arriba», apuntó Ofer Yaron, astrofísico del Instituto Weizmann de Ciencias, de Israel, que participa en un proyecto mundial sobre las supernovas donde está incluido el equipo del observatorio de Las Cumbres.

La gráfica del brillo de iPTF14hls [Lucy Redding-Ikkanda/Quanta Magazine, adaptado de Arcavi et al.].

La intención del grupo de las cumbres era seguir a 500 supernovas a lo largo de tres años como parte de una misión astronómica más amplia cuyo objetivo era desarrollar una taxonomía de las estrellas muertas. «La meta es sintetizar algún cuadro de lo que todas las diferentes estrellas de diferentes masas y metalicidades y velocidades de rotación hacen cuando mueren, dice Stan Woosley, astrofísico teórico de la Universidad de California en Santa Cruz. Mientras que las estrellas corrientes, como lo es el Sol, entran y salen de la existencia sin que tenga demasiada consecuencias, las estrellas de gran masa, del tipo de las que se convierten en supernovas, son los motores del cosmos, que remueven y procesan la materia en la vida y la muerte. Las explosiones de estas raras estrellas, con una masa de al menos 8 veces la del Sol, aunque algunas llegan a tener cientos de veces la masa de este, crean los metales (los astrónomos llaman así a todos los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio) y escupen el material hacia la galaxia que las rodea, con lo que engendran la siguiente generación de estrellas, más metálica que su predecesora. Mientras, sus núcleos pueden colapsar hasta convertirse en agujeros negros, estrellas de neutrones superdensas, estrellas de neutrones magnetizadas a las que se conoce como «magnetares» o en magnetares rotativos a los que se llama púlsares. Pero ¿qué caminos llevan a cada uno de esos resultados? ¿Y no habrá otros? Conocer todo el abanico de los destinos estelares es crucial para entender la evolución de las galaxias. Sin embargo, hallazgos recientes como el de Las Cumbres dan a entender que las estrellas mueren de muchas más formas de lo que se pensaba.

 Iair Arcavi, astrónomo del observatorio de Las Cumbres, dirigió el descubrimiento de iPTF14hls, una supernova sumamente duradera y errática [por cortesía de Iair Arcavi].

Los investigadores observaron en silencio a iPTF14hls durante los dos años siguientes y hablaron de ese extraño avistamiento con teóricos bien escogidos en la esperanza de que alguien tuviese una pista acerca de qué es lo que habían encontrado. Fueron apareciendo ideas: el nacimiento, durante una supernova, de un magnetar que desprendió brillantes destellos llamados brotes de rayos gamma, quizás, un agujero negro recién formado que se tragaba el material estelar que lo rodeaba, pero nada funcionaba bien del todo. «Una teoría podría explicar parte de lo que había, pero hay un problema, y entonces otra teoría puede explicarlo, pero entonces hay un problema», dice Andy Howell, astrónomo del observatorio de Las Cumbres y de la Universidad de California en Santa Bárbara, que dirige el equipo de supernovas de Las Cumbres. «No tienen ni idea de qué pasa ahí».

Lo que saben los teóricos es que las estrellas de gran masa se vuelven de ordinario supernovas cuando se quedan sin combustible nuclear. El descenso de la presión hacia fuera de la radiación hace que el núcleo colapse gravitatoriamente (que se forme un agujero negro o una estrella de neutrones), y la contracción interna crea unan onda de choque que se propaga hacia fuera y expele las capas exteriores de la estrella hacia el espacio junto con una radiación cegadora. En el caso de las supernovas del tipo IIP, la estrella «progenitora» contiene hidrógeno suficiente en sus capas exteriores como para ionizarse por la onda de choque de la supernova, y se vuelve opaca. Va dejando constantemente que salga luz a medida que se desioniza, con el resultado del característico rellano de 100 días en la gráfica del brillo. El hidrógeno y el hierro detectados en el espectro de iPTF14hls concuerdan exactamente con el de una IIP, y sin embargo, dice Howell, «el aspecto que una IIP tendría el día 30, esta tan rara lo tiene en el 300». Su estrella progenitora debe de haber sido inusualmente enorme, con niveles de hidrógeno nunca vistos antes, para que brille durante cientos de días, pero por sí solo eso seguiría sin explicar su misterioso abrillantamiento y oscurecimiento, o que no disminuya la velocidad de su material en explosión. Por mucho que se pareciese a una tipo IIP en la composición, no se comportaba como una.

Stan Woosley, astrofísico teórico de la Universidad de California en Santa Cruz, es una de las mentes tras la teoría de las supernovas pulsantes con inestabilidad de pares [Jim McKenzie/UC Santa Cruz] 

En septiembre de 2016, Howell presento los hallazgos de Las Cumbres en un congreso sobre supernovas que se celebró en Garching, Alemania, ante un público entre el que se encontraba Peter Nugent, uno de los astrónomos a cargo del estudio de los cielos de la Factoría de Ttransitorios Intermedia de Palomar, el primero en detectar iPTF14hls. Cuando Nugent y los demás investigadores de las supernovas comprendieron los detalles de esa supernova increíblemente duradera, pensaron en una teoría bien conocida, concebida por Woolsey, el teórico de Santa Cruz, y otros. Woolsey tiene la hipótesis de que las estrellas con masas iniciales en el intervalo entre las 70 y las 140 masas solares morirán en una cadena de explosiones denominadas supernovas pulsantes con inestabilidad de pares (PPISN), como consecuencia de un fenómeno cuántico a una escala descomunal. En vez de sufrir un colapso del núcleo, estas estrellas enormes arden a una temperatura tan alta que su radiación se convierte espontáneamente, según indican los cálculos, en pares de electrones y positrones. Al perderse presión de radiación en la conversión de luz a materia, la estrella se contrae súbitamente. Cuando la compresión hace que el combustible de las capas exteriores de la estrella entre en ignición, la contracción se revierte y la estrella estalla. Vuelve entonces a contraerse y vuelve de nuevo a estallar, en un tira y afloja.

Aunque no se ha observado ninguna PPISN inequívoca, los teóricos creen que se presentarían de diversas formas, si bien compartiendo siempre una característica definitoria: las estrellas tendrían erupciones erráticamente en el curso de los días, de los decenios, de los siglos e incluso de los milenios antes de que sus núcleos se redujesen en tamaño lo suficiente para que dejasen de experimentar la inestabilidad cuántica de pares; llegado ese momento, finalmente, colapsarían gravitatoriamente convirtiéndose en agujeros negros. (Si la teoría de Woolsey es correcta, tendría que haber una ausencia de agujeros negros a lo largo de un cierto intervalo de masas, pues las estrellas que empezasen teniendo su masa en ese intervalo mermarían por las explosiones creadas por la inestabilidad de pares. Los astrónomos buscan esa «brecha de masas» de los agujeros negros con el Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferencia Láser). En la muerte por PPISN, cada una de las explosiones precursoras arroja masa por valor de muchos soles; este hpo estelar, que crea nubes de residuos alrededor de la estrella, es una sucesión de verdaderas minisupernovas. Cuando las capas expedidas se precipitan unas sobre otras, las explosiones se nos presentan a nosotros como abrillantamientos y oscurecimientos temporales, tal y como ocurre con la señal luminosa de iPTF14hls.

En Garching, a Nugent se le ocurrió contrastar el registro histórico en busca de pruebas de explosiones precursoras de la estrella progenitora de iPTF14hls. Rastreó en un vasto archivo de viejas placas fotográficas del Estudio Palomar del Cielo, que sabía que había sido digitalizado y subido a internet. No había ni rastro de iPTF14hls en una imagen del estudio de 1993 de Palomar, el que comprobó primero. Pero cuando se fijó en una placa fotográfica más antigua, con más grano, del estudio de 1954, un punto de luz, sorprendentemente, brillaba en su localización. Las supernovas son raras, y la probabilidad de que dos estrellas de gran masa exploten en un plazo de tiempo de unas décadas en la misma pequeña galaxia es muy pequeña. Estimar la significancia estadística de una señal en una imagen digitalizada de una placa fotográfica es difícil, dice Nugent. «Pero el ojo no miente: miras y dices, ‘perfecto, es justo lo que se tiene que ver’».

Lo que se ve en la localización de iPTF14hls en tres años distintos [Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine, fuente: Estudio del Cielo del Observatorio de Palomar].

Las repetidas erupciones hacen pensar, en efecto, en que iPTF14hls es una supernova pulsante con inestabilidad de pares, el resultado de conversiones cuánticas espontaneas, vía el E = mc2 de Einstein, de la energía en la materia, y viceversa. Si es así, el descubrimiento demostraría la audaz hipótesis de las PPISN y añadiría una rama importante a la taxonomía de la muerte de las estrellas, pero aunque Arcavi, Howell y sus colaboradores de Las Cumbres ofrecen la idea de las PPISN como explicación más destacada de iPTF14hls, la teoría no carece de problemas. «La explicación que mencionamos en el artículo de Nature no funciona en realidad» dice Arcavi, refiriéndose a la actual teoría de las PPISN, «así que en realidad no lo sabemos».

Para empezar, la inmensa energía liberada en el curso de las explosiones conocidas de iPTF14hls, y quizá haya habido más, ya sobrepasa las predicciones de Woolsey de cuánta energía podría generar el mecanismo de la inestabilidad de pares. A la teoría también le cuesta explicar la considerable cantidad de hidrógeno en el extraño espectro de la supernova (erupciones anteriores tendrían que haber hecho estallar toda la cubierta de hidrógeno de la estrella hacia el espacio), por no mencionar esa alta velocidad tan peculiar del hidrógeno, que no muestra correlaciones con los cambios del brillo. (Woosley afirma que tiene una idea acerca de cómo explicar las mediciones del hidrógeno).

La idea de las PPISN no concuerda perfectamente con las observaciones, pero eso quizá solo quiera decir que los investigadores tienen que mejorar la teoría. Las estrellas evolucionan de las maneras más diferentes y desarrollar modelos suyos y predecir su comportamiento exige mucho computacionalmente. A menudo, los teóricos solo pueden hacer simulaciones de rebanadas bidimensionales de las estrellas, y luego extrapolan con cautela hasta las tres dimensiones. Podrían estar subestimando la energía de las PPISN.

Una prueba circunstancial de la teoría de las PPISN es la localización de iPTF14hls en una galaxia «enana». Las galaxias enanas están compuestas sobre todo por hidrógeno y helio, y contienen pocos de los elementos procesados más pesados a los que se conoce como metales. Esos ingredientes en bruto tan limpios permiten que en las galaxias enanas se formen estrellas enormes. Los investigadores señalan que aunque si su supernova superduradera no es una PPISN sino alguna otra cosa no imaginada todavía, objetos como ella podrían haber sido más numerosos hace miles de millones de años, cuando hasta las galaxias como la nuestra eran ricas en hidrógeno y menos metálicas. Según Howell, «es probable que en el universo joven fuesen mucho más comunes, pero que ahora estén más o menos extintos. Así que es un dinosaurio o algo así».

Ahora que se ha encontrado y descrito iPTF14hls, podrían empezar a aparecer objetos similares. Sus características definirán gradualmente una nueva clase de supernovas, sean PPISN u otra cosa. La observación continua de la red global de telescopios del observatorio de Las Cumbres ha inaugurado una vista en el tiempo de las supernovas que podría ofrecer muchas más sorpresas.

Natalie Wolchover/Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia. 

Referencia: «Energetic eruptions leading to a peculiar hydrogen-rich explosion of a massive star», de Iair Arcavi et al., en Nature 551, 210-213, 9 de noviembre de 2017..

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