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Supernovas en el laboratorio

Un pequeño experimento reproduce las explosiones de las estrellas masivas.

Los filamentos de gas y polvo de la nebulosa del Velo, vistos aquí en luz ultravioleta, son los restos de una supernova que explotó 5000 años antes. [NASA, JPL E INSTITUTO DE TECNOLOGÍA DE CALIFORNIA]

Cuando una estrella explota al final de su vida, esparce a través del espacio los elementos que ha forjado en su interior y da lugar a espectaculares «remanentes de supernova», restos de gas y polvo cuyas estructuras llevan tiempo desconcertando a los científicos. Pero en la Vía Láctea solo se producen una o dos supernovas por siglo, a menudo sin previo aviso, lo que dificulta el estudio de sus primeros instantes. Los investigadores han tratado de reproducir esos eventos mediante simulaciones, pero las limitaciones computacionales obligan a hacer suposiciones sobre los detalles más sutiles.

Un equipo del Instituto Tecnológico de Georgia espera remediarlo con un nuevo experimento para estudiar cómo se mezclan los gases en una supernova, el cual podría ayudar a validar y refinar las simulaciones. Su aparato en forma de cuña, que mide unos 120 centímetros en la parte superior y es el doble de grueso que una puerta, encierra dos gases inertes separados y permite recrear la dinámica que tendría lugar en una sección cilíndrica o esférica del espacio. El equipo detona explosivos comerciales en la punta de la cuña, que representa el centro de una supernova, y la onda expansiva mezcla los dos gases. Una cámara de alta velocidad captura instantáneas del proceso cada 0,1 milisegundos, que revelan el equivalente a la primera hora tras la explosión de una supernova. Los investigadores describieron el experimento el pasado junio en The Astrophysical Journal.

Los científicos observaron que la onda expansiva amplifica las pequeñas fluctuaciones producidas en la línea donde se encuentran los dos gases, creando perturbaciones en forma de hongo que crecen muy deprisa. Estos remolinos gaseosos generan turbulencias que acaban dando lugar a burbujas de baja densidad y largas puntas de alta densidad. Si una punta viaja a suficiente velocidad, puede desprenderse y actuar como una bala que perfora varias capas de gas.

Los investigadores han cavilado mucho sobre las corrientes de elementos pesados procedentes de las profundidades de las supernovas, que se comportan de manera similar a esas puntas. «No está claro si lo que vemos se debe a la naturaleza intrínseca y asimétrica de la explosión o a las turbulencias generadas», señala Anthony Piro, astrofísico teórico de los Observatorios Carnegie, en Pasadena, ajeno a la investigación. El nuevo estudio muestra que las turbulencias podrían jugar un papel muy importante, añade Piro, aunque hay que hacer más pruebas para determinar las limitaciones del modelo.

La mayoría de los modelos de supernovas incluyen suposiciones básicas sobre lo que ocurre a las escalas más pequeñas, lo que conlleva un ahorro de semanas en el tiempo de cálculo, explica Piro. La nueva investigación permitirá evaluar dichos supuestos. Los científicos ahora «pueden ver la evolución de diversas estructuras a escalas más pequeñas», confirma Carolyn Kuranz, física de la Universidad de Michigan que tampoco participó en el trabajo. Las estructuras creadas en el experimento recuerdan a las que ella misma ha encontrado en sus estudios sobre la mezcla de plasmas: «La teoría predecía que debían ser parecidas, y resulta que lo son.»

Según Piro, el experimento «ratifica buena parte de la física» relacionada con las supernovas. Además, ayudará a calibrar los modelos con los que él trabaja y permitirá a los científicos interpretar mejor las observaciones de las supernovas y sus remanentes.

La construcción de una supernova en miniatura planteaba numerosos retos. La gravedad de la Tierra es mucho más débil que la de una estrella moribunda, y los explosivos comerciales generan mucha menos energía. Sin embargo, «aunque la detonación es menor, lo mismo ocurre con el resto de factores, así que las proporciones se mantienen», comenta Benjamin Musci, estudiante de doctorado del Instituto de Tecnología de Georgia y primer autor del artículo.

Impedir que los gases rebotasen en las paredes del dispositivo (las cuales, obviamente, no existen en el espacio) «supuso una larga y ardua batalla», rememora Musci. Le llevó casi un año hallar una solución, que sorprende por su sencillez: revestir las paredes con la espuma del embalaje de un ordenador nuevo, un material que absorbe los gases y evita que se reflejen. «De vez en cuando, el explosivo hace pedazos la espuma y nos retrasa», añade. «Pero sin ella, la física del sistema sería muy diferente.»

Otro motivo de preocupación es la dimensionalidad del experimento. Piro observa que los gases que se expanden en dos dimensiones forman remolinos más grandes y tardan más tiempo en separarse que los que se mueven en el espacio. Esta es una cuestión que los investigadores podrían abordar en el futuro.

Expansión de los gases en los milisegundos posteriores a una explosión de supernova simulada. [DEVESH RANJAN, STAM LAB E INSTITUTO DE TECNOLOGÍA DE GEORGIA]


Los anteriores experimentos de supernovas se realizaron a escalas mayores, según el investigador principal del estudio, el astrofísico del Instituto de Tecnología de Georgia Devesh Ranjan. En centros como el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, decenas de láseres apuntan a un material del tamaño de una goma de borrar y lo evaporan, desencadenando una explosión formidable.

Pero eso exige sacrificar los detalles, prosigue Ranjan: los experimentos más grandes generan pocas imágenes, en las que solo se vislumbran las estructuras producidas. En cambio, el dispositivo en forma de cuña toma 200 fotografías en unos pocos segundos, mientras se mezclan los gases. «Nuestro experimento ofrece una visión dinámica de todo el proceso», asegura Ranjan. Al juntar los resultados de ambos tipos de experimentos, «deberíamos ser capaces de explicar lo que ocurre en una supernova real».

A Piro no le sorprende que el nuevo experimento sea el primero de ese estilo. «Hay que ser un experto en todo tipo de técnicas experimentales para montar algo así», valora. «La creatividad que ha mostrado este grupo al tratar de abordar esos problemas en un laboratorio es realmente inspiradora.»

Combinar este estudio con otros que exploran aspectos diferentes de las supernovas y con los modelos teóricos ayudará a los investigadores a esclarecer detalles que no pueden observar cuando explota una estrella real. «Si el objetivo último es desarrollar un modelo universal que describa lo que sucede a distintas escalas», concluye Kuranz, «emplear estos experimentos, sobre todo con condiciones y escalas diferentes, nos puede acercar a él».

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