Luz sobre una supernova superluminosa que parece explotar dos veces

Las supernovas son uno de los fenómenos más violentos que ocurren en el universo. Se trata de enormes explosiones que ponen punto y final a la vida de algunos tipos de estrella. Estas explosiones liberan cantidades inmensas de energía; tanta que en ocasiones podemos verlas desde la Tierra a simple vista, como puntos de luz capaces de superar temporalmente el brillo de los millones de estrellas que forman las galaxias que las alojan. Tras refulgir intensamente durante algunas semanas, las supernovas comienzan a perder su brillo de manera paulatina hasta apagarse por completo.

Existen muchos tipos de supernova. Los científicos las clasifican según sus características observables, que a su vez ofrecen pistas sobre cómo se han originado. Entre las más conocidas se hallan las de tipo 1a, que se dan cuando una enana blanca – el estado final en la vida de estrella como nuestro Sol – es capaz de absorber la masa de otra estrella cercana o bien se fusiona con otra enana blanca. Cuando esto sucede, su masa aumenta hasta que se vuelve inestable (1) y se origina una explosión termonuclear. Dado que estos eventos generan un brillo característico, los astrónomos pueden utilizarlos como puntos de referencia para medir distancias en el universo – así como los marinos pueden intuir la distancia a un faro en la noche según la intensidad de su brillo. Cuando esto sucede, el objeto emisor recibe el nombre de “candela estándar”.

El resto de tipos de supernova conocidos se producen cuando estrellas muy masivas agotan su combustible, lo que hace que se detengan los procesos de fusión nuclear. Esta fusión no sólo es responsable de que las estrellas emitan luz y calor, sino que las mantienen en equilibrio evitando que se desplomen sobre sí mismas por el efecto de su propia gravedad. Cuando esto sucede, el núcleo estelar se colapsa y las capas externas de la estrella son expulsadas de manera violenta creando la supernova, aunque en algunos casos se pueden formar otros objetos, como agujeros negros o estrellas de neutrones.

En los últimos años se ha descubierto un nuevo tipo de supernova del que aún se sabe muy poco y que se caracteriza por poseer un mayor brillo y longevidad, lo que les ha valido el nombre de supernovas superluminosas (SLSN, por sus siglas en inglés). Aunque de momento sólo se conocen alrededor de una docena de ellas, un grupo internacional de investigadores ha podido utilizar el Gran Telescopio CANARIAS (GTC) para observar una supernova superluminosa casi desde el momento de su nacimiento. La investigación ha revelado un comportamiento sorprendente, pues esta supernova ha mostrado un aumento inicial en su brillo que posteriormente se ha reducido durante algunos días para luego volver a incrementarse de manera mucho mayor. Los científicos han utilizado los datos recogidos por el GTC y los han combinado con los de otros observatorios para tratar de explicar el origen del fenómeno.

“Las supernovas superluminosas se caracterizan por ser hasta cien veces más brillantes que las de tipo 1a y porque su brillo puede tardar hasta seis meses en comenzar a decaer, en lugar de unas pocas semanas”, ha explicado Mathew Smith, investigador postdoctoral en la Universidad de Southampton (Reino Unido) y principal responsable de este estudio, cuyos resultados han sido publicados en la revista especializada The Astrophysical Journal Letters. “Lo que hemos podido observar y que es completamente novedoso –añade Smith– es que antes de la gran explosión se produce un estallido más breve y menos luminoso, que podemos apreciar como un bache en la gráfica de luminosidad y que dura sólo unos días.” Es la primera vez que se observa algo así en una supernova. “A partir de estos datos hemos tratado de determinar si esta puede ser una característica única de este objeto o es algo común a todas las supernovas superluminosas, pero que no ha sido observado hasta el momento, lo cual es posible dada su naturaleza impredecible”, comenta el científico.

Este nuevo e intrigante objeto, bautizado por los astrónomos con el críptico nombre de “DES14X3taz”, fue descubierto el 21 de diciembre de 2014 por el Dark Energy Survey (2), un proyecto internacional que sondea el cielo nocturno realizando mediciones precisas de más de 300 millones de galaxias que se encuentran a miles de millones de años luz de la Tierra, además de miles de supernovas y otros fenómenos transitorios. El objetivo es ayudar a explicar la expansión del universo y aportar pistas acerca de la naturaleza de la esquiva energía oscura (3). Para ello, se hace uso de una cámara digital extremadamente sensible con una resolución de 570 megapíxeles que ha sido instalada en el telescopio de cuatro metros Víctor M. Blanco, situado en el observatorio Inter-Americano en Cerro Tololo (Chile).

Una vez que se identificó a DES14X3taz como una posible supernova superluminosa, se solicitó una observación inmediata con el GTC, que dirigió su poderoso ojo hacia este objeto en dos noches de observación: el 26 de enero y el 6 de febrero de 2015. Esto fue posible gracias a que el GTC dedica parte de su tiempo de observación a los denominados “objetivos de oportunidad”, de manera que se aplazan otras observaciones programadas que pueden realizarse en otro momento para dar prioridad a fenómenos transitorios que pueden representar oportunidades irrepetibles.

“El GTC, con su enorme espejo de 10,4 metros y su instrumento OSIRIS, es la herramienta perfecta para la observación de esta SNSL, ya que está tremendamente lejos y la información que buscamos está en el espectro del visible y el infrarrojo cercano”, ha comentado Smith, quien también participa en el Dark Energy Survey. Gracias a las observaciones realizadas con el GTC y otros telescopios, Smith y sus colaboradores pudieron reconstruir la evolución del brillo de DES14X3taz casi desde el momento de su detección. Asimismo, han determinado con gran precisión su brillo absoluto y la distancia a la que se encuentra, unos 6.400 millones de años luz (4).

Tras comparar sus observaciones con distintos modelos físicos, los astrónomos concluyen en su artículo que la explicación más plausible es que el mecanismo que causa esta supernova sea el nacimiento de un “magnetar”, una estrella de neutrones que gira rápidamente sobre sí misma. En los datos recogidos se puede observar que el pico inicial en la gráfica de luminosidad viene seguido de un enfriamiento rápido del objeto, tras lo que sucede un nuevo calentamiento más brusco. Esto es consistente con la emisión de una gran burbuja de material expulsada al espacio que se enfría rápidamente a medida que su radio crece. “Lo que pensamos que sucede es que una estrella enormemente masiva, de unas 200 veces la masa del Sol, se colapsa para formar un magnetar. En el proceso, se produce una primera explosión que expulsa al espacio una cantidad de materia equivalente a la masa de nuestro Sol, y eso es lo que origina el primer pico en la gráfica. El segundo pico sucede cuando la estrella se colapsa para formar el magnetar, que es un objeto muy denso y que gira rápidamente sobre sí mismo y que calienta el material expulsado en la primera explosión. Este calentamiento es el que genera el segundo pico en la luminosidad”, detalla Smith.

Investigaciones como esta permiten conocer mejor los fenómenos físicos que originan las supernovas superluminosas, cuya mejor comprensión podría permitir, tal y como se ha sugerido en otros trabajos recientes, su “estandarización” o uso como referencia para medir distancias en el universo. Su gran brillo podría convertirlas en una herramienta muy útil para realizar estas medidas a mayores distancias y con más precisión de lo que es posible hoy en día. Sin embargo, para llegar a este punto es necesario comprender mucho mejor su origen y naturaleza.

Otro misterio referente a este nuevo tipo de supernova es que, hasta ahora, todos los casos se han detectado en galaxias pequeñas y con muy baja metalicidad, o escaso contenido en elementos metálicos, sin que se haya podido dar una explicación a este hecho. “Es parte del misterio de estos objetos”, bromea Smith, quien afirma que entre sus prioridades futuras se halla seguir detectando supernovas superluminosas y observarlas desde el momento de su nacimiento y en tiempo real con un gran telescopio como el GTC.

Notas:

(1) El límite de Chandrasekhar es la masa máxima que puede alcanzar una enana blanca y no colapsarse debido a su propia gravedad. El valor de este límite es de 1,4 veces la masa del Sol.

(2) El Dark Energy Survey (Cartografía de la Energía Oscura) es una colaboración internacional en la que participan más de 400 científicos de 25 instituciones en 7 países: Estados Unidos, España, Reino Unido, Brasil, Alemania, Suiza y Australia.

(3) La energía oscura es una forma de energía que estaría presente en todo el espacio, produciendo una presión que tiende a acelerar la expansión del Universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva.

(4) Aunque un año luz es una unidad de distancia, su definición hace referencia a la distancia que recorre la luz en un año. Por tanto, la luz tarda exactamente un año en recorrer una distancia de un año luz. En este caso, la luz emitida por la explosión de DES14X3taz ha tardado 6.400 millones de años en llegar a la Tierra. Se estima que la edad del universo es de casi catorce mil millones de años.

Artículo: “DES14X3taz: A type I superluminous supernova showins a luminous, rapidly cooling initial pre-peak bump” por M. Smith (University of Southampton), M. Sullivan (University of Southampton), C. B. D’Andrea (University of Southampton, Southampton), F. J. Castander (Institut de Ci`encies de l’Espai, IEEC-CSIC), R. Casas (Institut de Ci`encies de l’Espai, IEEC-CSIC), S. Prajs (University of Southampton) y otros.