Detectada una estrella de neutrones recién nacida en una supernova cercana
Un equipo internacional de astrónomos ha descubierto la primera evidencia concluyente de que existe una estrella de neutrones en el centro de la supernova 1987A, una explosión estelar observada hace 37 años.
Por la University College de Londres
La supernova 1987A, capata por el Hubble. La fuente azul tenue en el centro es la emisión energética detectada con el instrumento JWST/NIRSpec. Fuera de ella están los escombros estelares, que contienen la mayor parte de la masa, y se expanden a miles de kilómetros por segundo. El brillante collar de perlas interior es el gas de las capas exteriores de la estrella que fue expulsado unos 20.000 años antes de la explosión final. Crédito: Hubble Space Telescope WFPC-3 / James Webb Space Telescope NIRSpec / J. Larsson
Las supernovas son el espectacular resultado final del colapso de estrellas más masivas que 8-10 veces la masa del Sol. Son las principales fuentes de elementos químicos, como el carbono, el oxígeno, el silicio y el hierro, que hacen posible la vida. El núcleo colapsado de estas estrellas en explosión puede dar lugar a estrellas de neutrones mucho más pequeñas, compuestas por la materia más densa del universo conocido, o a agujeros negros.
Además, estas explosiones cósmicas también desempeñan un papel crucial en la dinámica y evolución de las galaxias.
La supernova 1987A, situada en la Gran Nube de Magallanes —una galaxia enana vecina—, fue la supernova más cercana y brillante vista en el cielo nocturno en cuatrocientos años.
La estrella quedó oscurecida por el polvo que se formó después de la explosión.
Los neutrinos, partículas subatómicas inimaginablemente pequeñas, se produjeron en la supernova y se detectaron en la Tierra (23 de febrero de 1987) el día antes de que se observara la supernova, lo que indica que debe haberse formado una estrella de neutrones. Sin embargo, no se sabe si la estrella de neutrones persistió o colapsó en un agujero negro, ya que la estrella quedó oscurecida por el polvo que se formó después de la explosión.
En el nuevo estudio, publicado en la revista Science, los investigadores utilizaron dos instrumentos del telescopio espacial James Webb (JWST) —el MIRI y el NIRSpec— para observar la supernova en longitudes de onda infrarrojas, y se encontraron con la evidencia de átomos pesados de argón y azufre cuyos electrones externos habían sido despojados —es decir, los átomos habían sido ionizados— cerca de donde ocurrió la explosión estelar.
Átomos ionizados por la radiación ultravioleta y de rayos X.
El equipo modelizó varios escenarios y descubrió que estos átomos solo podrían haber sido ionizados por la radiación ultravioleta y de rayos X de una estrella de neutrones caliente en proceso de enfriamiento o, alternativamente, por los vientos de partículas relativistas acelerados por una estrella de neutrones en rápida rotación e interactuando con el material circundante de la supernova (nebulosa de viento de púlsar).
Recodemos que las partículas relativistas son partículas subatómicas que se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, de acuerdo con los principios de la teoría de la relatividad de Albert Einstein. En la física de partículas, se considera que una partícula es relativista si su energía cinética es significativamente mayor que su energía en reposo, lo que implica velocidades relativistas.
De ser cierta la primera hipótesis, la superficie de la estrella de neutrones estaría a un millón de grados, tras haberse enfriado desde los 100.000 millones de grados aproximadamente en el momento de su formación en el núcleo del colapso, más de treinta años antes.
"Nuestra detección con los espectrómetros MIRI y NIRSpec de James Webb de fuertes líneas de emisión ionizadas de argón y azufre en el centro mismo de la nebulosa que rodea a la Supernova 1987A es una prueba directa de la presencia de una fuente central de radiación ionizante—dice Mike Barlow, profesor de Física y Astronomía de la University College de Londres y coautor del estudio. Y añade— Nuestros datos solo pueden encajar con una estrella de neutrones como fuente de energía de esa radiación ionizante.
¿Un radiación emitida por una nebulosa de viento pulsar o plerión?
En palabras de Barlow, esta radiación puede ser emitida por la superficie a millones de grados centígrados de la ardiente estrella de neutrones. “También por una nebulosa de viento pulsar o plerión que podría haberse creado si la estrella de neutrones gira rápidamente y arrastra partículas cargadas a su alrededor.
Recordemos que un plerión es una región de emisión de energía en forma de radiación sincrotrón y rayos X que rodea a ciertos tipos de objetos astronómicos, como restos de supernovas y púlsares.
Los pleriones son especialmente comunes alrededor de púlsares, que son estrellas de neutrones altamente magnetizadas que emiten haces de radiación desde sus polos magnéticos. Estas partículas cargadas, que se mueven a velocidades relativistas en el campo magnético del púlsar, generan emisión de radiación sincrotrón cuando son desviadas por el campo magnético.
No hay ningún otro objeto como la estrella de neutrones de la supernova 1987A.
"El misterio sobre si una estrella de neutrones se esconde en el polvo ha durado más de treinta años y es emocionante que lo hayamos resuelto— confiesa Barlow. Y continúa:— Las supernovas son las principales fuentes de elementos químicos que hacen posible la vida, por eso queremos que nuestros modelos sean correctos”.
Para este astrofísico, “no hay ningún otro objeto como la estrella de neutrones de la supernova 1987A, tan cerca de nosotros y que se haya formado tan recientemente. Debido a que el material que lo rodea se está expandiendo, veremos más cosas a medida que pase el tiempo”.
“Gracias a la magnífica resolución espacial y a los excelentes instrumentos del JWST hemos podido, por primera vez, sondear el centro de la supernova y lo que allí se creó—dice el profesor Claes Fransson, de la Universidad de Estocolmo (Suecia) y autor principal del estudio. Y añade:— Ahora sabemos que hay una fuente compacta de radiación ionizante, muy probablemente por una estrella de neutrones. Hemos estado buscando esto desde el momento de la explosión, pero tuvimos que esperar a JWST para poder verificar las predicciones".
Una brillante emisión de argón en el centro de la supernova 1987A.
Patrick Kavanagh, de la Universidad de Maynooth (Irlanda), es otro de los autores del estudio. Según él, "fue muy emocionante observar por primera vez las observaciones de la supernova 1987A realizadas por el JWST. Al comprobar los datos del MIRI y NIRSpec, saltó a la vista la brillante emisión de argón en el centro de 1987A. Supimos inmediatamente que se trataba de algo especial que podría responder finalmente a la pregunta sobre la naturaleza del objeto compacto".
Por su parte, la profesora Josefin Larsson, del Royal Institute of Technology (KTH), en Suecia, y coautora del estudio, comenta lo siguiente: "Esta supernova sigue ofreciéndonos sorpresas. Nadie había predicho que el objeto compacto se detectaría a través de una línea de emisión superintensa del argón, así que es algo divertido que algo así lo hayamos encontrado con el JWST".
Los modelos indican que los átomos pesados de argón y azufre se producen en gran abundancia debido a la nucleosíntesis en el interior de estrellas masivas inmediatamente antes de que exploten.
A una velocidad de hasta 10.000 km/s.
Mientras que la mayor parte de la masa de la estrella en explosión se expande ahora a una velocidad de hasta 10.000 km/s y se distribuye por un gran volumen de espacio, los átomos ionizados de argón y azufre se observan cerca del centro donde se produjo la explosión.
La radiación ultravioleta y de rayos X, que se cree que ionizó los átomos, fue predicha en 1992 como una firma única de una estrella de neutrones recién creada.
Estos átomos ionizados fueron detectados por los instrumentos MIRI y NIRSpec de James Webb utilizando una técnica llamada espectroscopia, donde la luz se dispersa en un espectro, lo que permite a los astrónomos medir la luz en diferentes longitudes de onda para determinar las propiedades físicas de un objeto, incluida su composición química.
Información facilitada por la University College de Londres
Fuente: C. Fransson et al. Emission lines due to ionizing radiation from a compact object in the remnant of Supernova 1987A. Science (2024). DOI: 10.1126/science.adj5796
