Observan en 3D el núcleo de una estrella tras su explosión

10 Julio, 2017 / Tiempo de lectura: 10 minutes

Entre los restos de una estrella que explotó se encuentra un denso puñado de moléculas y polvo formado tras el enfriamiento de la supernova, descubierta en 1987. Un equipo de astrónomos usó ALMA para realizar un mapeo de estas nuevas moléculas y producir una imagen en 3D de alta resolución de esta “fábrica de polvo” que permitió entender mejor la relación entre un joven remanente de supernova y su galaxia anfitriona.

Las supernovas —como se conoce al final explosivo de la corta pero resplandeciente vida de las estrellas masivas— son uno de los fenómenos más espectaculares del Universo. Aunque corresponden a la muerte de una estrella, las supernovas también provocan el nacimiento de nuevos elementos y la formación de moléculas que abundan en el cosmos.

En febrero de 1987, un grupo de astrónomos presenció uno de estos fenómenos dentro de la Gran Nube de Magallanes, una diminuta galaxia ubicada en la periferia de la Vía Láctea, a unos 163.000 años luz de la Tierra.

Durante los 30 años siguientes, las observaciones del remanente de esa explosión reveló pormenores hasta entonces desconocidos de la muerte de las estrellas, y mostró cómo los átomos que allí se formaban (como el carbono, el oxígeno y el nitrógeno) terminaban derramados en el espacio, formando nuevas moléculas y granos de polvo. Estas partículas microscópicas bien podían, algún día, dar origen a nuevas generaciones de estrellas y planetas.

Recientemente, los astrónomos usaron el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para estudiar el centro de esta supernova, conocida como SN 1987A. La capacidad de ALMA para observar detalles increíblemente diminutos permitió a los astrónomos generar una impresionante imagen tridimensional de moléculas recién formadas dentro del remanente de supernova. Los resultados de esta investigación se publicaron en la revista The Astrophysical Journal.

Los investigadores también descubrieron una serie de moléculas que hasta ahora habían pasado desapercibidas en el remanente. Estos hallazgos se publicarán en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

“Cuando esta supernova explotó, hace ya más de 30 años, los astrónomos sabían mucho menos sobre cómo estos fenómenos alteran el espacio interestelar y cómo los escombros calientes y brillantes de una estrella que explotó terminan enfriándose y forjando nuevas moléculas”, explica Rémy Indebetouw, astrónomo de la Universidad de Virginia y del Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos (NRAO, en su sigla en inglés), emplazado en Charlottesville. “Gracias a ALMA, finalmente podemos ver cómo se forma el ‘polvo estelar’ frío y entender mejor la estrella original y la manera en que las supernovas crean los componentes básicos de los planetas”.

Supernova: de la muerte de una estrella al nacimiento del polvo

Antes de las observaciones actuales de SN 1987A, eran pocas las conclusiones que se podía sacar de estos fenómenos cósmicos explosivos.

Se sabía a ciencia cierta que las estrellas masivas (de aproximadamente 10 veces la masa de nuestro Sol) se extinguían de manera bastante espectacular. Cuando estas estrellas agotan su combustible, no queda calor ni energía suficientes para luchar contra la fuerza de gravedad, y las zonas externas de la estrella, sostenidas hasta entonces por el poder de la fusión, hacen implosión con tremenda fuerza. El efecto de rebote de este colapso provoca una explosión que despide material hacia el espacio.

Los científicos han descubierto que las supernovas tienen efectos profundos en las galaxias de todo el Universo. Para entender mejor esos efectos, Indebetouw examina estos fenómenos. “La razón por la cual algunas galaxias tienen el aspecto que tienen hoy se debe en gran parte a las supernovas que hubo en ellas”, explica. “Aunque representan menos del 10 % de las estrellas, aquellas que explotan como supernovas dominan la evolución de las galaxias”.

Las supernovas son bastante comunes en el universo observable, pero como aparecen, en promedio, una vez cada 50 años en galaxias del tamaño de la Vía Láctea, los astrónomos tienen pocas oportunidades para estudiarlas desde su detonación hasta el momento en que se enfrían y forman nuevas moléculas. Aunque en estricto rigor no se encuentra en nuestra galaxia, SN 1987A está lo suficientemente cerca de nosotros como para que ALMA y otros telescopios puedan estudiarla en detalle.

Producción de una imagen en 3D de SN 1987A con ALMA

Los astrónomos observaron SN 1987 durante varios decenios con la ayuda de observatorios radioastronómicos, ópticos e incluso de rayos x, pero siempre tuvieron dificultades para analizar su centro debido a la presencia de polvo remanente a su alrededor. La capacidad de ALMA para captar longitudes de onda milimétricas (una parte del espectro electromagnético situada entre la luz infrarroja y las ondas de radio) permitió observar a través del polvo y gas y analizar la abundancia y la ubicación de moléculas recién formadas, especialmente de monóxido de silicio (SiO) y monóxido de carbono (CO), que brillan más fuerte en el espectro submilimétrico que ALMA observa.

En la nueva imagen y animación de ALMA, las emisiones de SiO (en morado) y de CO (en amarillo) se encuentran en aglomeraciones aisladas dentro del núcleo de SN 1987A. Indebetouw señala que los científicos ya habían predicho dónde y cómo aparecerían estas moléculas, pero sin ALMA no tenían cómo obtener imágenes con resolución suficiente para determinar la estructura interior del remanente y poner a prueba esos modelos.

Además de producir la primera imagen tridimensional de SN 1987A, ALMA reveló fascinantes detalles sobre cómo las condiciones físicas han cambiado con el tiempo y continúan cambiando. Estas observaciones también proporcionan información sobre las inestabilidades físicas de la supernova.

Gracias a los datos de ALMA, los astrónomos crearon una imagen tridimensional del polvo formado en el remanente de una supernova conocida como SN 1987A. El área morada muestra la presencia de moléculas de monóxido de silicio (SiO). El área amarilla corresponde a las moléculas de monóxido de carbono (CO). El anillo azul corresponde a datos del telescopio espacial Hubble (hidrógeno, o H-alpha) artificialmente representados en 3D. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), R. Indebetouw; NASA/ESA Hubble.

Esta representación científica ilustra la evolución de la supernova 1987A desde el inflamiento inicial de la estrella anfitriona y la explosión de la supernova hasta la expansión de la onda de choque y la formación de moléculas detectadas por ALMA en el remanente. Créditos: A. Angelich y B. Saxton, NRAO/AUI/NSF; R. Indebetouw et al., A. Angelich (NRAO/AUI/NSF); NASA/STScI/CfA/R. Kirshner; NASA/CXC/SAO/PSU/D. Burrows et al.; ESO; NASA/CXC/D.Berry/MIT/T.Delaney et al.; NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab; ESO/C. Malin/B. Tafreshi/José Francisco Salgado. Música: Geodesium.

Nuevos hallazgos en SN 1987A

Las observaciones realizadas anteriormente con ALMA habían revelado que SN 1987A produjo una enorme cantidad de polvo. Las nuevas observaciones aportan más detalles sobre la forma en que la supernova generó todo ese polvo y sobre el tipo de moléculas que lo componen.

“Uno de nuestros objetivos era observar SN 1987A en busca de otras moléculas”, comenta Indebetouw. “Esperábamos encontrar monóxido de carbono y monóxido de silicio, puesto que ya habíamos detectado estas moléculas”. Sin embargo, los astrónomos también descubrieron moléculas de HCO+ y monóxido de azufre (SO).

“Nunca se habían detectado estas moléculas en el remanente de una supernova joven”, afirma Indebetouw. “El HCO+ es especialmente interesante porque su formación requiere un proceso de mezcla particularmente enérgico durante la explosión”.

Estas observaciones permitieron a los astrónomos calcular que aproximadamente 1 de cada 1.000 átomos de silicio de la supernova ahora se encuentra en moléculas de SiO, y los astrónomos creen que la mayor parte del silicio está en los granos de polvo. Incluso esta ínfima cantidad de SiO es 100 veces mayor de lo predicho por los modelos de formación de polvo. Las nuevas observaciones ayudarán a los astrónomos a afinar estos modelos.

Con estas observaciones también se descubrió que al menos el 10% del carbono se encuentra en moléculas de CO, y solo unos pocos átomos en cada millón de átomos de carbono están presentes en moléculas de HCO+.

Nuevas interrogantes e investigaciones futuras

Si bien las nuevas observaciones de ALMA revelaron datos importantes sobre SN 1987A, quedan muchas preguntas por responder: ¿cuán abundantes son las moléculas de HCO+ y SO? ¿Quedan otras moléculas por descubrir? ¿Cómo seguirá evolucionando la estructura tridimensional de SN 1987A con el tiempo?

Las futuras observaciones de ALMA en diferentes longitudes de onda también podrían ayudar a determinar qué tipo de objeto compacto habita su centro: si un pulsar o una estrella de neutrones. Aunque se ha predicho la presencia de un objeto de este tipo al interior de SN 1987A, todavía no se detectaron las señales necesarias para confirmarla.

Información adicional

Esta investigación se presentó en dos artículos. El primero, titulado “Very deep inside the SN 1987 A core ejecta: Molecular structures seen in 3D” (‘Material eyectado desde las profundidades del núcleo de SN 1987: estructuras moleculares representadas en 3D’), de F. J. Abellán et al., se publicó en The Astrophysical Journal Letters [https://doi.org/10.3847/2041-8213/aa784c]. El otro se titula “ALMA spectral survey of supernova 1987A — molecular inventory, chemistry, dynamics an explosive nucleosynthesis” (‘Análisis espectral de la supernova 1987A con ALMA: inventario molecular, quimica y características dinámicas de una nucleosíntesis explosiva’) y fue aceptado para ser publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.