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Colisión cósmica desencadena una explosión de Supernova

Utilizando información y observaciones de distintos instrumentos, un equipo de investigadores logra determinar la posible y espantosa causa de muerte de una estrella: una colisión con una estrella de neutrones o un agujero negro.

Colisión estelar desencadena una explosión de supernova. Panel superior izquierdo: Una estrella de neutrones o agujero negro y una estrella masiva (azul claro) se orbitan mutuamente, acercándose gradualmente. Panel superior derecho: La estrella de neutrones o agujero negro entra en la atmósfera de la estrella compañera, sacando material (gas) hacia afuera de la estrella en forma de espiral. Panel inferior izquierdo: Cuando la estrella de neutrones o agujero negro llega a la zona central de la estrella compañera interrumpe las reacciones nucleares que allí ocurren y la estrella colapsa sobre sí misma por la acción de la gravedad, provocando la explosión de supernova, acompañada también por la aparición de jets de partículas altamente energéticas. Panel inferior derecho: El material de explusado por la explosión de supernova choca con el material previamente expulsado del sistema creando una poderosa onda de choque, emitiendo ondas de radio. Ver original aquí. Créditos: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF.

Una explosión de supernova típicamente representa el final de la vida de una estrella masiva, más masiva que aproximadamente ochos veces la masa de nuestro Sol, y ocurre, típicamente, cuando en el interior de dicha estrella se acaban las reacciones nucleares que la mantuvieron estable durante la mayor parte de su vida. Cuando esto ocurre, el peso de la estrella aplasta el núcleo de la estrella hasta alcanzar densidades extremas a lo que el núcleo de la estrella responde con violencia haciendo rebotar y «explotar» el material que cae sobre él de manera catastrófica. Este tipo particular de supernova es conocido como Core-Collapse Supernova.

El brillo de una de estas supernovas puede llegar competir con el brillo de una galaxia entera, llegando a ser visibles, a veces, a pesar de ocurrir a miles de millones de años luz de distancia. Dependiendo de la masa de la estrella que «explota», tras la explosión, probablemente seríamos capaces de encontrar una estrella de neutrones (para una estrella con una masa de entre aproximadamente 8 a 25 masas solares) o un agujero negro (para una estrella de más de 25 masas solares). Sin embargo, esta no es la única manera en la que una estrella masiva puede morir.

Al menos en nuestra galaxia, y probablemente en las demás galaxias del universo, una gran porción de las estrellas que la componen no se encuentran solas, sino que acompañadas por una o más estrellas, formando sistemas estelares múltiples. Los sistemas estelares más comunes suelen conformarse por dos o tres estrellas. Esto es común para (casi) cualquier selección de estrellas, independiente de sus masas, pero es probablemente más común para estrellas más masivas.

Otra consecuencia importante que tiene la masa en una estrella es cómo repercute en su tiempo de vida; mientras más masiva es una estrella, menor es su tiempo de vida.

Por otro lado, las estrellas nacen a raíz del colapso gravitacional de gigantescas nubes de gas y polvo. Dentro de estas nubes nacen no una, sino varias cientos, hasta miles de estrellas, y muchas de ellas nacen (más o menos) al mismo tiempo.

Estos hechos abren, por ejemplo, la posibilidad de que dos estrellas masivas puedan formar un sistema binario de estrellas, es decir, dos estrellas que se orbitan mutuamente. Es muy dificil que ambas estrellas tengan exactamente la misma masa, por lo que una (la más masiva) evolucionará significativamente más rápido. En algún punto, la estrella más masiva agotará su combustible y explotará como una explosión de supernova, dejando en su lugar una estrella de neutrones o un agujero negro.

Existe la posibilidad de que el sistema pueda «sobrevivir» a la explosión. En tal caso, tendríamos una estrella de neutrones o un agujero negro y la estrella que aún se desarrolla orbitándose mutuamente. El futuro del sistema dependerá muchos factores. Una posibilidad es que ambas componentes del sistema estén en camino a una colisión, tal vez no directa pero una en que los objetos se van acercando gradualmente mientras se orbitan, como en una espiral que se cierra a medida que transcurre el tiempo.

Tal como la estrella que explotó, la estrella que aún se desarrolla no puede evitar seguir desarrollándose y en algún punto, cuando vaya agotando sus combustibles principales, la estrella se convertirá en una estrella enorme, por ejemplo; una supergigante roja.

Esto, en consecuencia, nos abre más posibilidades. Una de ellas es que, con sus capas externas, la estrella engulla a la estrella de neutrones o agujero negro. Si esto ocurre, la estrella de neutrones o agujero negro seguirá orbitando la zona central de la estrella, donde está la mayor cantidad de masa, hundiéndose cada vez más a dicha zona. La enorme gravedad superficial de la estrella de neutrones o agujero negro hará que parte del material de la estrella (gas) sea atrapado por de uno de ellos, pero otra gran parte del material de la estrella puede salir del sistema debido al caos gravitacional, creado una especie de «anillos de material» alrededor del sistema.

Impresión artística de una estrella a punto de explotar. La explosión es causada por la unión de la estrella con una estrella de neutrones o un agujero negro. En la ilustración se muestra el material (gas) de la estrella moribunda que escapa del sistema por la presencia de un objeto compacto moviéndose en su interior. También la ilustración muestra los nacientes jets, producidos a la par con el colpaso gravitacional de la estrella. Ver original aquí. Crédito: Chuck Carter.

Eventualmente, la estrella de neutrones o agujero negro, que ahora se encuentra dentro de otra estrella, llegará a la zona central de dicha estrella, y aquí ocurre el problema. Con la llegada de la estrella de neutrones o agujero negro a la zona central de la estrella compañera, las reacciones nuclear pueden interrumpirse, y como ya sabemos; si no hay reacciones nucleares, más nada contrarresta el peso gravitacional: la estrella colapsa sobre sí misma.

En el proceso, es mucha la cantidad de material que se acumula en la región central dando «mucho de comer» a la estrella de neutrones o agujero negro. Parte de ese de ese material no será atrapado pero será canalizado en potentes «jets», saliendo del sistema con velocidades cercanas a la de la luz. Nada detiene el colapso y lo mismo ocurre: una explosión de supernova. A este tipo particular y raro de supernova se le conoce cómo Merger-Driven Supernova.

Hasta aquí, hemos visto que las condiciones para que se produzca un fenómeno de este tipo son bastante específicas y nadie, hasta hace poco, había logrado «observar» uno de ellos… hasta hace poco.

Un equipo de investigadores, liderado por Dillon Dong, estudiante graduado de Caltech, analizó los datos obtenidos entre 2017 y 2018 por un mapeo del cielo hechos con el Very Large Array (VLA), en ondas de radio, y encontraron una inusual fuente de emisión que no había sido identificada en la galaxia designada con el nombre SDSS J121001.38+495641.7. Este fenómeno fue denominado como VT J121001+495647.

VT J121001+495647. (A) Observación del lugar de ocurrencia de VT J121001+495647 en 1997 por FIRTS. No hay emisión. (B) Observación de la emisión de ondas de radio correspondiente a VT J121001+495647 en 2017 por VLA. (C) Ubicación del fenómeno en la galaxia SDSS J121001.38+495641.7 obtenida por el Telescopio Espacial Hubble. Créditos: Dong et al (2021).

Observaciones espectrocópicas en el rango óptico en 2018 hechas con el Low Resolution Imaging Spectrometer (LRIS) de los poderosos telescopios del W. M. Keck Observatory permitieron al equipo observar una gran cantidad de material que se mueve velozmente en la región en donde fue detectada la extraña emisión de ondas de radio, sugiriendo una explosión.

Más aún, al revisar un registro histórico de 2014 del Monitor of All-sky X-ray Image (MAXI) el equipo notó una emisión de rayos X que coincide relativamente bien con posición de la extraña emisión de ondas de radio. Esta emisión de rayos X puede haber sido provocada por el Jet de uno de estos fenómenos particulares de supernova.

La teoría del equipo es que una Merger-Driven Supernova efectivamente ocurrió y la extraña emisión de ondas radio observada entre 2017 y 2018 sería producto del choque de la onda expansiva de la explosión de dicho evento el material que fue expulsado de una estrella producto de «tragarse» una estrella de neutrones o un agujero negro.

¡MUCHAS GRACIAS POR TU ATENCIÓN!


Referencias

Basado en comunicados de prensa: «A Black Hole Triggers A Premature Supernova» y «Stellar Collision Triggers Supernova Explosion«

DONG, D. Z., et al. A transient radio source consistent with a merger-triggered core collapse supernovaScience, 2021, vol. 373, no 6559, p. 1125-1129.

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