Una Supernova loca parece una nueva estrella moribunda

Los astrónomos vieron un punto de luz tenue en una pequeña galaxia a 500 millones de años luz de distancia. Parecía una supernova, una estrella moribunda que explotó y cuya luz ahora se apagaba. Pero en enero siguiente, Zheng “Andrew” Wong, un estudiante interno del Observatorio Las Cumbres en Goleta, California, notó que la luz se estaba iluminando de nuevo.

Cuando le mostró este extraño giro a su supervisor, el astrónomo Iair Arcavi, “sus ojos crecieron”, recordó Wong. Arcavi pronto se convenció a sí mismo de que la fuente de luz, designada iPTF14hls, no debe ser una supernova después de todo, sino una estrella cercana pulsante (o “variable”) superpuesta por coincidencia en la lejana galaxia. Aún así, ayudó a Wong a tomar un espectro de iPTF14hls, midiendo su color para revelar su maquillaje químico. Para su asombro, el espectro resultó ser exactamente el de una supernova Tipo II-P – la clase más común y bien comprendida de estrella explosiva, moribunda y masiva. Cuando una supernova de tipo II-P explota, su brillo sube, las mesetas (de ahí la “P”) durante unos 100 días y luego disminuye hasta que termina. Nunca habíamos visto decaer una supernova así y volver a subir “, dijo Arcavi, quien, junto con 52 colaboradores, reportó el descubrimiento de iPTF14hls hoy en la revista Nature. “Ahí fue cuando entendimos que teníamos algo muy interesante.”

A partir de ese momento, la red global de telescopios robóticos de Las Cumbres monitoreó constantemente iPTF14hls a medida que continuaba iluminándose y oscureciéndose. Los científicos descubrieron otra cosa extraña acerca de la supernova: La velocidad medida del material explosivo, que normalmente disminuye con el tiempo a medida que se hace visible lo más profundo de la supernova, permanece desconcertantemente alto. Este es un SN loco “, escribió Arcavi en el registro de comentarios para iPTF14hls el 16 de mayo de 2015, más de 250 días después de su descubrimiento. “Lástima que pronto se pondrá detrás del sol.”

Seguramente entonces, los científicos pensaron que se iría para siempre. Pero cuando el mes de septiembre dio la vuelta y el iPTF14hls salió arrastrándose de detrás del sol, hubo un destello. De hecho, la luz era más brillante que antes.

Alguien está jugando con nosotros allá arriba, señaló Ofer Yaron, astrofísico del Instituto Weizmann de Ciencias en Israel, que forma parte de un proyecto de supernova global que incluye al equipo del Observatorio de Las Cumbres.

El grupo Las Cumbres tenía como objetivo rastrear 500 supernovas durante tres años como parte de una misión más amplia de los astrónomos para desarrollar una taxonomía de las muertes estelares. El objetivo es “sintetizar algo de lo que todas las diferentes estrellas de diferentes masas y metalicidades y velocidades de rotación hacen cuando mueren”, dijo Stan Woosley, astrofísico teórico de la Universidad de California en Santa Cruz. Mientras que las estrellas variadas del jardín, como el sol, parpadean dentro y fuera de la existencia relativamente, en consecuencia, las estrellas masivas, el tipo que se convierten en supernova, son los motores del cosmos, que agitan y procesan la materia en la vida y la muerte. Las explosiones de estas raras estrellas, que agrupan por lo menos ocho y tantos como cientos de masas solares, forjan metales (lo que los astrónomos llaman todos los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio) y arrojan material a la galaxia circundante, dando a luz a la siguiente generación de estrellas más metálicas. Mientras tanto, sus núcleos pueden colapsar en agujeros negros, estrellas de neutrones súper densas, estrellas de neutrones magnetizadas conocidas como magnetares, o magnetares giratorios llamados púlsares, pero ¿qué caminos llegan a qué resultados, y hay otros? Conocer el espectro completo de destinos estelares es crucial para entender la evolución galáctica. Sin embargo, hallazgos recientes como el de Las Cumbres sugieren que las estrellas mueren en más formas de las que cualquiera sabía.

Los investigadores monitorearon silenciosamente iPTF14hls durante los próximos dos años, discutiendo sus extraños avistamientos con unos pocos teóricos seleccionados con la esperanza de que alguien tuviera una pista sobre lo que habían encontrado. Surgieron ideas, el nacimiento, durante una supernova, de una magnetar que emitía destellos brillantes llamados estallidos de rayos gamma, tal vez, o un agujero negro recién formado que se traga el material estrellado a su alrededor, pero nada funcionó del todo. Una teoría podría explicar algunas cosas, pero hay un problema, y luego otra teoría puede explicar otra cosa, pero luego hay un problema “, dijo Andy Howell, astrónomo del Observatorio Las Cumbres y de la Universidad de California en Santa Bárbara, que dirige el equipo de supernovas de Las Cumbres. “No saben nada de eso.”

Lo que sí saben los teóricos es que las estrellas masivas típicamente se convierten en supernovas cuando sus núcleos se quedan sin combustible nuclear. La caída en la presión de radiación externa causa el colapso gravitacional del núcleo (que forma un agujero negro o una estrella de neutrones), y la contracción interna crea una onda de choque saliente que empuja las conchas exteriores del material de la estrella hacia el espacio, junto con la radiación cegadora. Con las supernovas Tipo II-P, la estrella “progenitora” contiene suficiente hidrógeno en sus caparazones exteriores para ser ionizada por la onda de choque de la supernova y volverse opaca. Deja salir la luz constantemente a medida que se desioniza, dando como resultado la característica meseta de 100 días de brillo. El hidrógeno y el hierro detectados en el espectro de iPTF14hls coincidieron exactamente con el de un II-P, y sin embargo, Howell dijo:”Lo que un II-P se vería en el día 30, este extraño se parece al día 300.” Su estrella progenitora debe haber sido inusualmente enorme, con niveles de hidrógeno nunca vistos antes, para brillar durante cientos de días, pero que aún así no explicaría su misterioso brillo y atenuación. Sea lo que fuere, parecía una supernova tipo II-P en su composición, pero no se comportó como tal.

En septiembre de 2016, Howell presentó los hallazgos de Las Cumbres en una conferencia de supernovas en Garching, Alemania, ante una audiencia que incluyó a Peter Nugent, un astrónomo que ayuda a operar el estudio intermedio de cielo de la fábrica transitoria Palomar que originalmente detectó iPTF14hls. Mientras que Nugent y los otros investigadores de la supernova absorbieron los detalles sobre la supernova increíblemente larga, pensaron en una teoría bien conocida desarrollada por Woosley, el teórico de Santa Cruz, y otros. Woosley parte de la hipótesis de que las estrellas con masas iniciales en el rango de 70 a 140 masas solares morirán en explosiones escalonadas llamadas “supernovas de inestabilidad en pares de pulsaciones” (PPISNs), debido a un fenómeno cuántico que actúa en una escala gigantesca. En lugar de sufrir un colapso del núcleo, estas enormes estrellas arden tan calientes que su radiación espontáneamente se convierte en pares electrón-positrón, sugieren los cálculos. A medida que la presión de radiación se pierde en el interruptor de luz a materia, la estrella se contrae repentinamente; cuando la compresión hace que el combustible en las conchas exteriores de la estrella se encienda, la contracción se invierte y la estrella explota. Entonces se contrae, luego explota, en un tirón parado.

Las estrellas estallarían erráticamente en el curso de días, meses, décadas, siglos, siglos o incluso milenios, antes de que sus núcleos hayan reducido lo suficiente su tamaño como para dejar de experimentar la inestabilidad de los pares cuánticos, momento en el que, finalmente, se derrumbarán gravitacionalmente en agujeros negros. (Si la teoría de Woosley es correcta, debería haber una ausencia de agujeros negros en un cierto rango de masa, ya que las estrellas que comienzan en ese rango se encogen a través de explosiones de inestabilidad de par por pulsaciones. Los astrónomos están buscando este agujero negro “brecha de masa” con el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser. En la muerte por PPISN, cada una de las explosiones precursoras expulsa el valor de muchos soles de hipo masivos que crean nubes de escombros alrededor de la estrella y que son como mini supernovas en sí mismas. A medida que las cáscaras expulsadas se chocan entre sí, las explosiones nos aparecen como iluminación y oscurecimiento temporal, como en la señal luminosa de iPTF14hls.

En Garching, Nugent pensó revisar el registro histórico en busca de evidencia de explosiones de precursores de la estrella progenitora de iPTF14hls. Él buscó en un vasto archivo de placas fotográficas antiguas del Palomar Optical Sky Survey que él sabía que habían sido digitalizadas y puestas en línea. No había señales de iPTF14hls en una imagen de la encuesta de Palomar de 1993, que Nugent verificó primero. Pero cuando miró una placa fotográfica más antigua y granulada del estudio de 1954, sorprendentemente, un punto de luz brilló en su ubicación. Las supernovas son raras, y la posibilidad de que dos estrellas masivas diferentes estallen en décadas en la misma pequeña galaxia es escasa. Es difícil estimar el significado estadístico de una señal en una imagen digitalizada de una placa fotográfica, dijo Nugent. Pero tu ojo no miente. Miras esto y dices:’ OK, eso se ve exactamente bien'”.

Las erupciones repetidas sugieren que iPTF14hls podría ser en realidad una supernova de inestabilidad en pares por pulsaciones, el resultado de conversiones cuánticas espontáneas, vía E=mc2 de Einstein, de energía a materia, y viceversa. De ser así, el descubrimiento probaría la audaz hipótesis PPISN y añadiría una rama importante a la taxonomía estrella-muerte. Pero aunque Arcavi, Howell y sus colegas de Las Cumbres ofrecen la idea PPISN como la principal explicación para iPTF14hls en su trabajo, la teoría no está exenta de problemas. La explicación que mencionamos en el periódico Nature no funciona “, dijo Arcavi, refiriéndose a la teoría PPISN actual,” así que todavía no lo sabemos “.

Por un lado, la inmensa energía liberada en el curso de las explosiones conocidas de iPTF14hls (y puede haber habido más) ya supera las predicciones de Woosley sobre cuánta energía puede reunir el mecanismo de inestabilidad en pareja. La teoría también tiene problemas para explicar el hidrógeno considerable en el espectro de la extraña supernova, las erupciones anteriores deberían haber volado la envoltura de hidrógeno de la estrella en el espacio, sin mencionar la extraña alta velocidad del hidrógeno, que no muestra ninguna correlación con los cambios en el brillo. (Woosley dice que tiene “una noción” sobre cómo explicar las mediciones de hidrógeno).

La idea de PPISN no coincide perfectamente con las observaciones, pero eso podría significar que los investigadores necesitan mejorar la teoría. Las estrellas evolucionan de maneras muy diferentes y son computacionalmente exigentes para modelar y predecir. A menudo los teóricos sólo pueden hacer simulaciones computarizadas de cortes bidimensionales de estrellas y extrapolar cautelosamente a tres dimensiones. Pueden estar subestimando la energía de los PPISN.

Una pieza de evidencia circunstancial para la teoría PPISN es la ubicación de iPTF14hls en una galaxia “enana”; éstas consisten principalmente de hidrógeno y helio y contienen pocos de los elementos procesados más pesados conocidos como metales. Las frescas materias primas en las galaxias enanas permiten la formación de estrellas gigantescas, como calabazas en suelos fértiles. Las estrellas pueden alcanzar el rango de masa requerido para la muerte por la inestabilidad de la pareja de pulsaciones. Los investigadores señalan que aunque su supernova súper larga no es un PPISN sino algo que aún no se había imaginado, objetos como éste podrían haber sido más poblados hace miles de millones de años, cuando incluso galaxias como la nuestra eran ricas en hidrógeno y menos metálicas. Probablemente en el universo primitivo estos eran mucho más comunes, pero ahora están más o menos extinguidos “, dijo Howell. “Así que es un dinosaurio o algo así.”

Ahora que iPTF14hls ha sido encontrado y descrito, objetos similares podrían empezar a aparecer. Sus características definirán gradualmente una nueva clase de supernova, ya sean PPISNs u otra cosa. El monitoreo continuo por parte de la red global de telescopios del Observatorio Las Cumbres ha abierto una visión temporal de las supernovas, lo que podría generar muchas más sorpresas.

Después de todo, iPTF14hls no es la única supernova extraña que ha aparecido en los últimos años. Los astrónomos también han detectado supernovas “superluminosas” extremadamente brillantes, cuya causa y origen también se desconocen. Algunas de ellas son extremadamente luminosas, 100 veces más brillantes que las supernovas ordinarias “, dijo Woosley. “Así que no son sólo arrugas en un viejo tema; son bestias.”

Mil días después de su descubrimiento, iPTF14hls finalmente se desvanece. Su luz se ha atenuado a una vigésima parte de su máximo brillo. Pero las cosas podrían retomarse, dijeron los científicos, a medida que su onda expansiva se expande y encuentra conchas de material de las erupciones anteriores de la estrella. El que vimos en 1954, podría ser otros 20 años antes de que se topara con ese caparazón “, dijo Nugent.

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