Descubierto un eslabón perdido: las supernovas dan lugar a agujeros negros o estrellas de neutrones
ESO, 10 de Enero de 2024
Un equipo de astrónomos y astrónomas ha descubierto un vínculo directo entre la muerte explosiva de estrellas masivas y la formación de los objetos más compactos y enigmáticos del universo: los agujeros negros y las estrellas de neutrones. Con la ayuda del Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral (VLT de ESO) y el New Technology Telescope (NTT) de ESO, dos equipos pudieron observar las secuelas de la explosión de una supernova en una galaxia cercana, descubriendo evidencias del misterioso objeto compacto generado tras el evento.
Cuando las estrellas masivas llegan al final de sus vidas, colapsan bajo su propia gravedad de una forma tan rápida que se produce una violenta explosión conocida como supernova. La comunidad astronómica cree que, tras la impactante explosión, lo que queda es el núcleo ultradenso o remanente compacto de la estrella. Dependiendo de lo masiva que sea la estrella, el remanente compacto será una estrella de neutrones (un objeto tan denso que una cucharadita de su material pesaría alrededor de un billón de kilogramos aquí en la Tierra) o un agujero negro (un objeto del que nada, ni siquiera la luz, puede escapar).
La comunidad astronómica había detectado muchas pistas de eventos pasados que arrojaban luz sobre esta cadena de acontecimientos, como el hallazgo de una estrella de neutrones dentro de la Nebulosa del Cangrejo, la nube de gas que quedó tras la explosión de una estrella hace casi mil años. Pero nunca antes habían visto este proceso en tiempo real, por lo que no se había podido obtener evidencia directa de que una supernova dejara un remanente compacto. "En nuestro trabajo, establecemos un vínculo directo", afirma Ping Chen, investigador del Instituto Weizmann de Ciencias (Israel) y autor principal de un estudio publicado hoy en la revista Nature y presentado en la 243ª reunión de la Sociedad Americana de Astronomía en Nueva Orleans (EE.UU.).
El golpe de suerte para los investigadores llegó en mayo de 2022, cuando el astrónomo aficionado sudafricano, Berto Monard, descubrió la supernova SN 2022jli en el brazo espiral de la cercana galaxia NGC 157, situada a 75 millones de años luz de distancia. Dos equipos distintos centraron su atención en las secuelas de esta explosión y descubrieron que tenía un comportamiento único.
Tras la explosión, el brillo de la mayoría de las supernovas simplemente se desvanece con el tiempo; la comunidad astronómica ve una disminución suave y gradual en la "curva de luz" de la explosión. Pero el comportamiento de SN 2022jli es muy peculiar: a medida que el brillo general disminuye, no lo hace suavemente, sino que oscila hacia arriba y hacia abajo cada 12 días más o menos. "En los datos de SN 2022jli vemos una secuencia repetitiva de brillo y desvanecimiento", declara Thomas Moore, estudiante de doctorado en la Universidad de Queen's de Belfast (Irlanda del Norte), quien dirigió un estudio de la supernova publicado a finales del año pasado en el Astrophysical Journal. "Esta es la primera vez que se han detectado oscilaciones periódicas repetidas, a lo largo de muchos ciclos, en una curva de luz de supernova", señaló Moore en su artículo.
Tanto el equipo de Moore como el de Chen creen que la presencia de más de una estrella en el sistema SN 2022jli podría explicar este comportamiento. De hecho, no es inusual que las estrellas masivas orbiten junto a una estrella compañera en lo que se conoce como un sistema binario, y la estrella que causó la SN 2022jli no ha sido una excepción. Lo destacable de este sistema, sin embargo, es que la estrella compañera parece haber sobrevivido a la muerte violenta de su pareja y los dos objetos, el remanente compacto y la compañera, probablemente siguieron orbitando entre sí.
Los datos recopilados por el equipo de Moore, que incluyeron observaciones con el telescopio NTT de ESO, ubicado en el desierto de Atacama (Chile), no les permitieron precisar exactamente cómo la interacción entre los dos objetos causó los altibajos en la curva de luz. Pero el equipo de Chen tenía observaciones adicionales. Encontraron las mismas fluctuaciones regulares en el brillo visible del sistema que el equipo de Moore había detectado, y también detectaron movimientos periódicos de gas hidrógeno y ráfagas de rayos gamma en el sistema. Sus observaciones fueron posibles gracias a una flota de instrumentos en tierra y en el espacio, incluido el instrumento X-shooter, instalado en el VLT de ESO, también ubicado en Chile.
Uniendo todas las pistas, en general los dos equipos están de acuerdo en que cuando la estrella compañera interactuó con el material emitido durante la explosión de la supernova, su atmósfera rica en hidrógeno se hinchó más de lo habitual. Luego, a medida que el objeto compacto que quedó después de la explosión cruzó la atmósfera de la compañera al orbitarse mutuamente, este a su vez robaría gas hidrógeno de la estrella, formando un disco caliente de materia a su alrededor. Este robo periódico de materia, o acreción, produjo una gran cantidad de energía que fue captada en las observaciones como cambios regulares de brillo.
A pesar de que los equipos no pudieron observar la luz proveniente del objeto compacto en sí, concluyeron que este robo de energía solo puede deberse a una estrella de neutrones invisible, o posiblemente a un agujero negro, que absorbe materia de la atmósfera hinchada de la estrella compañera. "Nuestra investigación es como resolver un rompecabezas reuniendo todas las piezas posibles", declara Chen. "Todas estas piezas alineadas conducen a la verdad".
Con la presencia confirmada de un agujero negro o una estrella de neutrones, todavía hay mucho que desentrañar sobre este enigmático sistema, incluida la naturaleza exacta del objeto compacto o qué final podría esperar a este sistema binario. Los telescopios de próxima generación, como el Extremely Large Telescope de ESO, programado para comenzar a operar a finales de esta década, ayudarán a desentrañar estos misterios, permitiendo a la comunidad astronómica revelar detalles sin precedentes de este sistema único.
Información adicional
Este trabajo de investigación se ha presentado en dos artículos científicos. El equipo liderado por P. Chen publicó un artículo científico titulado “A 12.4 day periodicity in a close binary system after a supernova” en la revista Nature (doi: 10.1038/s41586-023-06787-x).
El equipo está compuesto por P. Chen (Departamento de Física de Partículas y Astrofísica; Instituto Weizmann de Ciencias; Israel [Weizmann Institute]); A. Gal-Yam (Weizmann Institute); J. Sollerman (Centro Oskar Klein, Departamento de Astronomía, Universidad de Estocolmo, Suecia [OKC DoA]); S. Schulze (Centro Oskar Klein, Departamento de Física, Universidad de Estocolmo, Suecia [OKC DoP]); R. S. Post (Observatorio Post, Lexington; EE.UU.); C. Liu (Departamento de Física y Astronomía, Universidad Northwestern, EE. UU. [Northwestern]; Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica, Universidad Northwestern, EE. UU. [CIERA]); E. O. Ofek (Weizmann Institute); K. K. Das (Centro Cahill de Astrofísica, Instituto de Tecnología de California, EE.UU. [Cahill Center]); C. Fremling (Observatorios Ópticos de Caltech, Instituto de Tecnología de California, EE.UU. [COO]; División de Física, Matemáticas y Astronomía, Instituto de Tecnología de California, EE.UU. [PMA]); A. Horesh (Instituto de Física Rakah, Universidad Hebrea de Jerusalén, Israel); B. Katz (Weizmann Institute); D. Kushnir (Weizmann Institute); M. M. Kasliwal (Cahill Center); S. R. Kulkarni (Cahill Center); D. Liu (Instituto Sudoccidental de Investigación Astronómica, Universidad de Yunnan, China [Yunnan]); X. Liu (Yunnan); A. A. Miller (Northwestern; CIERA); K. Rose (Instituto de Astronomía de Sydney, Escuela de Física, Universidad de Sydney, Australia); E. Waxman (Weizmann Institute); S. Yang (OKC DoA; Academia de Ciencias de Henan, China); Y. Yao (Cahill Center); B. Zackay (Weizmann Institute); E. C. Bellm (Instituto DIRAC, Departamento de Astronomía, Universidad de Washington, EE.UU); R. Dekany (COO); A. J. Drake (PMA); Y. Fang (Yunnan); J. P. U. Fynbo (Centro Cósmico DAWN, Dinamarca; Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague, Dinamarca); S. L. Groom (IPAC; Instituto de Tecnología de California, EE.UU. [IPAC]); G. Helou (IPAC); I. Irani (Weizmann Institute); T. J. du Laz (PMA); X. Liu (Yunnan); P. A. Mazzali (Instituto de Investigación en Astrofísica, Universidad John Moores de Liverpool, Reino Unido; Instituto Max Planck de Astrofísica, Alemania); J. D. Neill (PMA); Y.-J. Qin (PMA); R. L. Riddle (COO); A. Sharon (Weizmann Institute); N. L. Strotjohann (Weizmann Institute); A. Wold (IPAC); L. Yan (COO).
El equipo liderado por T. Moore ha publicado el artículo científico titulado “SN 2022jli: A Type 1c Supernova with Periodic Modulation of Its Light Curve and an Unusually Long Rise” en la revista The Astrophysical Journal Letters (doi: 10.3847/2041-8213/acfc25).
T. Moore (Centro de Investigación en Astrofísica, Universidad de Queen's en Belfast; Reino Unido [Queen's]); S. J. Smartt (Queen's; Departamento de Física, Universidad de Oxford, Reino Unido [Oxford]); M. Nicholl (Queen's); S. Srivastav (Queen's); H. F. Stevance (Oxford; Departamento de Física, Universidad de Auckland, Nueva Zelanda); D. B. Jess (Queen's; Departamento de Física y Astronomía, Universidad Estatal de California Northridge, EE.UU.); S. D. T. Grant (Queen's); M. D. Fulton (Queen's); L. Rhodes (Oxford); S. A. Sim (Queen's); R. Hirai (OzGrav: Centro de Excelencia del Consejo Australiano de Investigación para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales, Australia; Escuela de Física y Astronomía, Universidad de Monash, Australia); P. Podsiadlowski (Universidad de Oxford; Reino Unido); J. P. Anderson (Observatorio Europeo Austral, Chile; Instituto Milenio de Astrofísica MAS, Chile); C. Ashall (Departamento de Física, Instituto Politécnico y Universidad Estatal de Virginia, EE.UU.); W. Bate (Queen's); R. Fender (Oxford); C. P. Gutiérrez (Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña; España [IEEC]; Instituto de Ciencias del Espacio, Campus UAB, España [ICE, CSIC]); D. A. Howell (Observatorio Las Cumbres, EE.UU. [Las Cumbres]; Departamento de Física, Universidad de California, Santa Bárbara; EE.UU. [UCSB]); M. E. Huber (Instituto de Astronomía, Universidad de Hawái; EE.UU. [Hawai’i]); C. Inserra (Centro de Investigación y Tecnología en Astrofísica de Cardiff, Universidad de Cardiff, Reino Unido); G. Leloudas (DTU Space, Instituto Nacional del Espacio, Universidad Técnica de Dinamarca, Dinamarca); L. A. G. Monard (Observatorio Kleinkaroo, Sudáfrica); T. E. Müller-Bravo (IEEC; ICE, CSIC); B. J. Shappee (Hawai’i ); K. W. Smith (Queen's); G. Terreran (Las Cumbres); J. Tonry (Hawai’i); M. A. Tucker (Departamento de Astronomía, Universidad Estatal de Ohio, EE.UU.; Departamento de Física, Universidad Estatal de Ohio, EE.UU.; Centro de Cosmología y Física de Astropartículas, Universidad Estatal de Ohio, EE. UU.); D. R. Young (Queen's); A. Aamer (Queen's; Instituto de Astronomía de Ondas Gravitacionales, Universidad de Birmingham, Reino Unido [IGWA]; Escuela de Física y Astronomía, Universidad de Birmingham, Reino Unido [Birmingham]); T.-W. Chen (Instituto de Estudios Universitarios de Astronomía, Universidad Nacional Central, Taiwán); F. Ragosta (INAF, Observatorio Astronómico de Roma, Italia; Centro de Datos de Ciencias Espaciales—ASI, Italia); L. Galbany (IEEC; ICE, CSIC); M. Gromadzki (Observatorio Astronómico, Universidad de Varsovia, Polonia); L. Harvey (Escuela de Física, Trinity College de Dublín, Universidad de Dublín, Irlanda); P. Hoeflich (Departamento de Física, Universidad Estatal de Florida, EE.UU.); C. McCully (Las Cumbres); M. Newsome (Las Cumbres; UCSB); E. P. González (Las Cumbres; UCSB); C. Pellegrino (Las Cumbres; UCSB); P. Ramsden (Birmingham; IGWA); M. Pérez-Torres (Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), España; Facultad de Ciencias, Universidad Europea de Chipre, Chipre); E. J. Ridley (IGWA; Birmingham); X. Sheng (Queen's) y J. Weston (Queen's).
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