Una supernova única en su tipo sirve para estudiar el Universo temprano

SN 2007bi, una supernova extremadamente brillante y de larga duración, que fue detectada en una galaxia enana cercana por un telescopio robótico, resultó ser el primer ejemplo del tipo de estrellas que poblaron por primera vez en Universo.

Izquierda: Ilustración del material expulsado por SN 2007bi. El núcleo de níquel radioactivo (blanco) se convierte en cobalto, emitiendo rayos gamma y positrones que excitan las capas vecinas (amarillo texturizado) ricas en elementos pesados como el hierro. Las capas exteriores (más oscuras) tienen elementos más livianos como el oxígeno y carbono donde debe permanecer el helio, el cual se mantiene sin ser iluminado y no contribuye al espectro visible. Crédito: Berkeley Lab.

Su hallazgo, hacia principios de 2007, fue hecho por el Supernova Factory (SNfactory) ubicado en el Laboratorio Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE.UU. Su espectro era inusual y los astrónomos en la Universidad de California en Berkeley obtuvieron uno más detallado.

Durante el año y medio siguiente, los científicos de Berkeley participaron en una colaboración dirigida por Avishay Gal-Yam del Instituto de Ciencias Weizmann de Israel, para recoger y analizar muchos más datos a medida que la supernova se iba desvaneciendo.

Los estudios indicaron que la estrella precursora habría sido una gigante de al menos unas 200 veces la masa de nuestro Sol y tendría pocos elementos además del hidrógeno y helio, al igual que las primeras estrellas del Universo.

"Debido a que el núcleo en sí mismo tenía unas 100 masas solaes, el fenómeno ampliamente hipotetizado, conocido como estabilidad par, debe de haber ocurrido," dijo el astrofísico Peter Nugent, quien también es miembro del SNfactory y co-director del Centro de Cosmología Computacional (C3) que es una colaboración entre la División de Física del Laboratorio de Berkeley y la División de Investigacion Computacional (CRD), de la cual Nugent es parte del personal científico.

"En el extremo calor del interior de la estrella, los rayos gamma energéticos crearon pares de electrones y positrones, los cuales descargaron la presión que evitó que el núcleo colapsara."

"SN 2007bi fue la primera explosión de una estrella excesivamente masiva," afirmó Alex Filippenko, profesor del Departamento de Astronomía en la Universidad de California en Berkeley. En vez de convertirse en un agujero negro, como muchas estrellas pesadas, su núcleo siguió con el proceso nuclear hasta que explotó en pedazos. Este tipo de comportamientos había sido predicho hace varias décadas, pero nunca había sido observado antes.

SN 2007bi es la primera observación confirmada de una supernova de inestabilidad par.

La supernova fue registrada en imágenes tomadas por parte del Palomar-QUEST Survey, en una búsqueda autimátizada con el Telescopio Oschin de campo amplio en Observatorio Palomar del Instituto de Tecnología de California y fue rápidamente detectada y categorizada como una supernova inusual por el SNfactory.

SNfactory hasta ahora ha descubierto cerca de mil supernovas de todos los tipos, con miles de espectros diferentes, pero el interés está en las designadas como Tipo Ia, usadas como indicadores de la historia de la expansión del Universo. Sin embargo, SN 2007bi no es Tipo Ia, ya que era al menos diez veces más brillante.

"La corrida termonuclear experimentada por el núcleo de SN 2007bi es un ejemplo de lo que se ha visto en explosiones de enanas blancas como las supernovas Tipo Ia," dijo Filippenko, "pero en una escala más grande, con una cantidad mucho más grande de poder."

"El Laboratioro de Berkeley y el Departamento de Astronomía de CalTech se pusieron de acuerdo en que dividiríamos el trabajo, el Laboratorio se haría cargo de las de Tipo Ia y CalTech todas las de tipo restante." dijo Greg Aldering, jefe del proyecto SNfactory y autor del estudio que apareció en Nature el 3 de diciembre de 2009.

Los investigadores de CalTech obtuvieron espectros adicioanles con el Telescopio Keck y el Very Large Telescope (VLT) en Chile. Estos espectros indicaban claramente que había una gran cantidad de material expulsado por la explosión, incluyendo una cantidad récord de níquel radioactivo, el cual hizo que los gases brillaran con mucha intensidad.

"La parte central de la enorme estrella había fusionado oxígeno cerca del final de su vida, y estaba muy caliente," explicó Filippenko.

"Entonces, los protones más energéticos de luz se convirtieron en pares de electrón-positrón, robando la presión del núcleo y haciendo que colapse. Esto llevó a una explosión de corrida nuclear que creó una gran cantidad de níquel radioactivo, cuyo decremento dio energía al gas expulsado y mantuvo a la supernova visible por un largo tiempo."

Observaciones siguientes de la supernova demostraron de que se trataba de algo nuevo. Debido a que no tenía líneas hidrógeno o helio, el tipo de clasificación usual habría sido el de una supernova de Tipo Ic. Pero era tan brillante para ser una de Tipo Ic, que a Nugent le hizo recordar una supernova designada SN 1999as, encontrada por el Proyecto Cosmología de Supernova, aunque desafortunadamente tres semanas después de su pico de brillo.

Para comprender una supernova se requiere de un buen registro de su ascenso y descenso del brillo, o curva de luz. Aunque SN 2007bi fue detectada más de una semana después de su pico, Nugent, buscó a través de años de datos recopilados por el NERSC del SNfactory y otras investigaciones.

Encontró que el Catalina Sky Survey había registrado a SN 2007bi antes de su pico de brillo y eso le podría proveer de suficientes datos para calcular la duración de la curva de ascenso, con una duración extraordinaria de 70 días -más evidencia para identificar la inestabilidad par.

Es importante que SN 2007bi se haya encontrado en una galaxia enana, ya que este tipo de galaxias tienen pocos elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, por lo que representan modelos del Universo temprano.

Las galaxias enanas son obicuas, pero muy débiles y pequeñas. Filippenko afirma: "en el futuro, podríamos terminar detectando la primera generación de estrelas en la temprana historia del Universo, a través de explosines como las de SN2007bi - mucho antes de que tengamos la capacidad de ver directamente la pre-explosión de estrellas."

Más información:
Nature "Supernova 2007bi as a pair-instability explosion"
Berkeley Lab

Fuente: Berkeley Lab.