El origen de explosiones de las supernovas de Tipo Ia es aún un misterio

Cuando una estrella explora como una supernova, brilla tanto que puede ser vista desde millones de años luz de distancia. Una variedad particular de supernova -del Tipo Ia- brilla y se oscurece de forma tan predecible que los astrónomos las usan para medir la expansión del Universo. El descubrimiento resultante de la energía oscura y el Universo en aceleración reescribieron nuestra comprensión del cosmos. Aún así, el origin de estas supernovas, las cuales han resultado tan útiles, permanecen desconocidas.

Imagen: Esta fotografía del Hubble revela a la gigante Galaxia del Molinete (M101), uno de los ejemplos más conocidos de grandes galaxias espiraladas, y sus regiones de formación estelar supergantes en un detalle sin precedentes. Los astrónomos han buscado galaxias como esta en la búsqueda de progenitoras de supernovas de Tipo Ia, pero su búsqueda ha obtenido resultados casi nulos. Crédito: NASA/ESA.

"La pregunta de qué causa el Tipo Ia de supernova es uno de los grandes misterios sin resolver en la astronomía," dijo Rosanne Di Stefano, del Centro de Astrofísica de Harvard-Smithsonian (CfA).

Los astrónomos tienen una evidencia muy fuerte de que las supernovas de Tipo Ia provienen de remanentes de estrellas en explosión llamados enanas blancas. Para detonar, la enana blanca debe ganar masa hasta que alcance el límite en que no pueda sostenerse así misma.

Hay dos escenarios principales para el paso intermedio de una enana blanca a supernova, ambos requieren de una estrella compañera. En la primera posibilidad, una enana blanca absorbe gas que sale de una estrella vecina. En la segunda posibilidad, dos enanas blancas colisionan y se fusionan. Para establecer qué opción es la correcta (o al menos más común), los astrónomos buscan evidencia de estos sistemas binarios.

Dada la tasa promedio de supernovas, los científicos puede estimar cómo enanas pre-supernovas deberían existir en una galaxia. Pero la búsqueda de estos progenitores ha resultado casi sin resultados.

Para ubicar enanas blancas en acreción, los astrónomos buscaron los rayos-X de una energía particular, producida cuando el gas que golpea la superficie de la superficie de la estrella sufre la fusión nuclear. Una galaxia típica debería contener cientos de esas fuentes de rayos-X "súper blandos". En cambio, sólo vemos un puñado. Como resultado, un estudio publicado recientemente sugería que el escenario de fusión alternativo era la fuente de supernovas de Tipo Ia, al menos en muchas galaxias.

Esa conclusión recae en la afirmación de que las enanas blancas en acreción aparecerán como fuentes de rayos-X súper blandos cuando cuando la materia proveniente experimenta la fusión nuclear. Di Stefano y sus colegas han argumentado que los datos no apoyan más esta hipótesis.

En una nueva publicación, Di Stefano lleva el trabajo un paso más lejos. Señala que supernovas inducidas por asimilaciones deberían también estar precedidas por una época durante la cual una enana blanca acrecente materia que debería sufrir fusión nuclear. Las enana son producidas cuando las estrellas envejecen, y diferentes estrellas envejecen a diferentes velocidades. Cualquier sistema de enana blanca doble cercano pasará a través de una fase en la cual la primera enana blanca en ser formada gana y quema materia de su compañera de envejecimiento más lento. Si estas enanas blancas producen rayos-X, entonces deberíamos hallar aproximadamente cien veces tantas fuentes de rayos-X súper blandos como lo hacemos.

Ya que ambos casos -una explosión derivada de la acreción y una explosión derivada de la asimilación- involucran acreción y fusión en un punto, la falta de fuentes de rayos-X súper blandos parecería descartar ambos tipos de progenitor. La alternativa propuesta por Di Stefano es que las enanas blancas no son luminosas en las longitudes de onda de rayos-X por larogs periodos de tiempo. Tal vez el material que rodea a una estrella blanca puede absorber rayos-X o las enanas blancas de acreción podrían emitir la mayor parte de su energía a otras longitudes de onda.

Si esta es la explicación correcta, dice Di Stefano, "debemos devisar nuevos métodos para buscar los progenitores elusivos de las supernovas de Tipo Ia."

El informe Di Stefano ha sido aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal y está disponible online.

Más información:
Artículo en el Centro de Astrofísica de Harvard-Smithsonian (CfA)
The Progenitors of Type Ia Supernovae: II. Are they Double-Degenerate Binaries? The Symbiotic Channel, de Rosanne Di Stefano

Fuente: CfA.

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Nuevas imágenes revelan la actividad estelar en la Gran Nube de Magallanes

La Gran Nube de Magallanes (GNM) está a sólo 160.000 años luz de nuestra galaxia, la Vía Láctea, lo que la convierte, debido a su proximidad en la escala cósmica, en un objeto de detallado estudio. Ubicada en la constelación de El Dorado, pertenece al Grupo Local.

La imagen de abajo es un mosaico de cuatro fotografías tomadas por la Cámara de Campo Amplio sobre el telescopio de 2,2 metros de diámetro MPG/ESO en el Observatorio de La Silla, en Chile. La imagen cubre una región del cielo que ocupa más de cuatro Lunas llenaS. Así, este instrumento permite obtener una imagen muy grande, cubriendo una amplia variedad de objetos en la GNM. Se pueden observar docenas de cúmulos de jóvenes estrellas además de trazas de nubes de gases. Estrellas ténues llenan la imagen de un extremo al otro y más galaxias, más allá de la GNM, pueden ser vistas en el fondo.

Arriba: Imagen detallada de la Gran Nube de Magallanes, tomada con el instrumento Cámara de Campo Amplio (Wide Field Imager, WFI). Crédito: Observatorio La Silla de ESO en Chile.

Los cúmulos globulares (un grupo de cientos de miles a millones de estrellas juntas por atracción de la gravedad en un patrón esférico) están presentes en la GNM y uno es visible en la parte superior derecha, que se ve como un óvalo difuso. Su nombre es NGC 1978 y se trata de un cúmulo globular masivo, pero que se cree que tiene una edad de 3,5 mil millones de años. Esto lleva a pensar a los astrónomos que la GNM tiene una reciente historia de formación estelar.

Arriba, a la derecha de la imagen se pueden ver los restos de la supernova DEM L 190, también conocida como N 49, la cual posee unos 30 años luz de diámetro. En el centro se encuentra una magnetoestrella, una estrella de neutrones con un campo magnético extremadamente poderoso. Fue recién en 1979 que los satélites que orbitaban la Tierra detectaron una poderosa explosión de rayos gamma desde este objeto.

Arriba: Esta imagen compuesta muestra a N49, los restos de una explosión de supernova en la Gran Nube de Magallanes. Una nueva y extendida observación del Observatorio de Rayos-X Chandra de la NASA revela evidencia de un objeto con forma de bala siendo arrojado desde los escombros producidos por la estrella en explosión.

Para detectar a ese objeto, los investigadores usaron a Chambra para observar a N49 por más de 30 horas. Usando los nuevos datos de Chandra, la edad de N49 -como aparece en la imagen- se cree que es cercana a los 5.000 años y se estima que la energía de la explosión sea el doble de una supernova promedio. Estos resultados preliminares sugieren que la explosión original fue causada por el colapso de una estrella masiva. Crédito: Rayos-X: NASA/CXC/Penn State/S. Park, entre otros. Óptico: NASA/STScI/UIUC/Y.H. Chu & R. Williams, entre otros.

Esta parte de la GNM está repleta de cúmulos estelares y otros objetos que los astrónomos podrán estudiar durante todas sus carreras.

Más información:
Artículo sobre la Gran Nube de Magallanes en el sitio de ESO
Artículo sobre N 49 en el sitio de la Misión Chandra

Fuente: NASA/Chandra/ESO.

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Astrónomos encuentran un nuevo tipo de supernova

Por primera vez, los astrónomos han encontrado una explosión de supernova con propiedades similares a una explosión de rayos gamma, pero sin emisión de estos rayos. El descubrimiento, usando el radiotelescopio del Dispositivo Muy Grande (VLA) de la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos, promete, de acuerdo a los científicos, el hallazgo de más ejemplos de este tipo de explosiones.

Izquierda: Representación artística de una supernova impulsada por un "motor" de material en aceleración cerca del núcleo. Crédito: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF.

"Pensamos que las observaciones de radio serán pronto una herramienta más poderosa para hallar este tipo de supernovas en el Universo cercano en vez de los satélites de rayos gamma," dijo Alicia Soderberg, del Centro para Astrofísica de Harvard-Smithsonian.

El descubrimiento tuvo lugar cuando las observaciones de radio mostraban material expulsado de la explosión supernova conocida como SN2009bb, a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Esto caracterizó a la supernova, vista por primera vez en marzo de 2009.

"Es extraordinario que radiación de baja energía como las ondas de radio puedan enviar una señal de un evento de energía muy alta," dijo Roger Chevalier de la Universidad de Virginia.

Cuando las reacciones de fusión nuclear en en núcleo de estrellas muy masivas no puede proveer la energía necesaria para sostener al núcleo contra el peso del resto de la estrella, el núcleo colapsa catastróficamente en una estrella de neutrones muy densa o en un agujero negro. El resto del material de la estrella es expulsado al espacio en una explosión de supernova. Durante la última década, los astrónomos han identificado un particular tipo de estas supernovas como causa de un tipo de explosión de rayos gamma.

No todas las supernovas de este tipo, producen explosiones de rayos gamma. "Sólo cerca de una dentro de cien lo hacen," de acuerdo a Soderberg.

En el tipo más común de supernovas, la explosión arroja el material de la estrella en una forma casi esférica cuyas velocidades son de cerca del 3% de la velocidad de la luz. En las supernovas que producen explosiones de rayos gamma, en algunos casos el material es acelerado a velocidades próximas a la de la luz.

Las velocidades elevadas en estas raras explosiones, dicen los astrónomos, son causadas por un "motor" en el centro de la explosión supernova que se asemeja a una versión pequeña de un cuásar. El material que cae hacia el núcleo entra en un disco de espiral que rodea a la estrella de neutrones o agujero negro. Este disco de acreción produce chorros de material acelerados a velocidades muy grandes desde los polos del disco.

"Esta es la única forma que sabemos que una explosión supernova pueda acelerar material a esta velocidad," dijo Soderberg.

Hasta ahora, no se ha detectado este tipo de supoernova de otra forma que no sea detectándo los rayos gammas emitidos por ésta.

"Descubrir este tipo de supernova al observer su emisión de radio en vez de hacerlo a través de los rayos gamma, es un gran paso. Con las nuevas capacidades del VLA Expandido, creemos que encontraremos más en el futuro a través de observaciones de radio en vez de satélites de rayos gamma," dijo Soderberg.

¿Por qué nadie habñia visto los rayos gamma de esta explosión? "Sabemos que la emisión de rayos gamma es emitida en esas explosiones y esta misma puede haber estado apuntando lejos de la Tierra y por eso no fue vista," dijo Soderberg. En ese caso, encontrar esas explosiones a través de observaciones de radio permitirá a los astrónomos descubrir un mayor porcentaje de ellas en el futuro.

"Otra posibilidad", agrega Soderberg, "es que las explosiones de rayos gamma fueron 'suavizadas' a medida que trataban de escapar de la estrella. Esto es tal vez más la posibilidad más excitante ya que implica que podemos hallar e identificar supernovas impulsadas por estos motores que carecen de los rayos gamma detectables y por ello pasan desapercibidas por los satélites de rayos gamma."

Una pregunta importante que los científicos esperan responder es qué causa la diferencia entre supernovas "comúnes" e "impulsadas por motores".

Una idea popular es que este tipo de estrellas tienen una concentración inusualmente baja de elementos más pesados que el hidrógeno. Sin embargo, Soderberg señala que ese no parece ser el caso para esta supernova.

Más información:
National Radio Astronomy Observatory

Fuente: National Radio Astronomy Observatory.

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Investigadores de Chandra estudian las formas de las supernovas

Los dos remanentes de supernovas de esta imagen forman parte de un nuevo estudio del Observatorio de Rayos-X Chandra de la NASA y muestra la conexión de la forma del remanente con la forma en que la estrella progenitora ha estallado. Para este estudio, un equipo de investigadores examinó las formas de 17 remanentes de supernovas en nuestra galaxia, la Vía Láctea, y en una galaxia vecina, la Gran Nube de Magallanes.

Arriba: G292.0+1.8 y el remanente se supernova Kepler. Crédito: NASA/CXC/UCSC/L. Lopez, entre otros.

Los resultados revelaron que una categoría de explosión de supernovas, conocida como Tipo Ia generó un remanente circular y muy simétrico. Se cree que este tipo de supernova puede ser causado por una explosión termonuclear de una enana blanca, y frecuentemente es usada por los astrónomos como una "candela estándard" para medir las distancias cósmicas. La imagen del lado derecho, llamada remanente de supernova Kepler, representa este tipo de supernova.

En el lado izquierdo, está el remantente G292.0+1.8, vinculado a la familia de supernovas formadas por las explosiones de colapso de núcleo, que son más asimétricas y que tienen la morfología del remanente mencionado. Los investigadores midieron la asimetría de dos formas: cuán esférica y elíptica era la supernova y cuánto se parece un lado del remantente respecto a su lado opuesto. En G292 la asimetría es sútil pero puede ser vista en las características elongadas por la emisión brillante (de color blanco).

De las 17 remanentes de supernovas estudiados, 10 fueron clasificadas independientemente como una variedad del colapso de núcleo, mientras que las 7 restantes fueron clasificadas como Tipo Ia. Una de ellas, el remanente SNR 0548-70.4, es una esfera extraña, porque se la considera de Tipo Ia debido a su abundancia química, pero la asimetría pertenece a una remanente de colapso de núcleo.

La esplosión supernova
Arriba: Representación de la explosión de supernova de El Cangrejo. Crédito: ESA/Hubble.

Más información:
Página de Chandra

Fuente: Chandra.

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Hallan una supernova hipergigante

Un equipo internacional dirigido por científicos en Israel, que incluye investigadores de Alemania, Estados Unidos, Reino Unido y China, rastrearon una supernova por un año y medio y encontraron que corresponde a las predicciones de la explosión de una estrella con más de 150 veces la masa de nuestro Sol.

Izquierda: Imagen de la supernova Kepler, tomada por el Telescopio Espacial Spitzer. Crédito: NASA.

Sus hallazgos, aparecidos recientemente en Nature podrían aumentar el conocimiento desde los límites naturales en los tamaños estelares hasta la evolución del Universo.

"Durante la vida de una estrella, hay un balance entre la gravedad que empuja su material hacia dentro y el calor producido en las reacciones nucleares en su núcleo que lo empujan hacia fuera. En una supernova a la que estamos acostumbrados, de una estrella de 10 a 100 veces el tamaño del Sol, la reacción nuclear comienza con la fusión de hidrígeno en helio, como en nuestro Sol. Pero la fusión sigue, produciendo elementos más y más pesados, hasta que el núcleo se convierte en hierro. Ya que el hierro no se fusiona fácilmente, la reacción se detiene, y se pierde el balance. La gravedad toma importancia y la estrella colapsa interiormente, lanzando sus capas exteriores en las ondas de choque siguientes." dijo Dr. Avishay Gal-Yam, miembro del Departamento de Física y Astrofísica.

El balance en una estrella supergigante es difetente. Aquí, los fotones están tan calientes y energizados que interactúan para producir pares de partículas: electrones y sus partes opuestas, los positrones. En el proceso, las partículas con masa son creadas desde fotones de menor masa y esto consume la energía de la estrella. Las cosas salen de balance también, pero en esta oportunidad, cuando la estrella colapsa, se cae en un núcleo de oxígeno volatil y no sobre uno de hierro. El oxígeno comprimido explota en una corrida termonuclear que elimina el núcleo de la estrella, dejando detrás un polvo estelar brillante.

"Hace años se han calculado modelos de 'supernovas pares'," dijo Gal-Yam, "pero nadie estaba seguro de que esas explosiones realmente suceden en la naturaleza. La nueva supernova que descubrimos encaja muy bien con estos modelos."

Un análisis de los datos de la nueva supernova llevó a los científicos a estimar que el tamaño de la estrella en unas 200 veces la masa del Sol. Esto, en sí mismo, es inusual, ya que las estrellas en nuestra parte del Universo tienen un tamaño límite de unos 150 soles. Muchos se preguntaron si habría alguna limitación física en sus circunferencias.

Los nuevos hallazgos sugieren que las estrellas hipergigantes, a pesar de ser raras, sí existen y que incluso estrellas mucho más grandes, de hasta 1000 veces el tamaño del Sol, habrían existido en el Universo temprano.

"Esta es la primera vez que hemos sido capaces de analizar las observaciones de una explosión estelar tan masiva," dijo el Dr. Paolo Mazzali del Instituto Max Planck de Astrofísica en Alemania, quien dirigió el estudio teórico de este objeto. "Fuimos capaces de medir las cantidades de los nuevos elementos creados en esta explosión, incluyendo aproximadamente cinco veces la masa de nuestro Sol en níquel altamente radiactivo y recientemente sintetizado. Explosiones así pueden ser importantes fábricas de metales pesados en el Universo."

Esta supernova masiva fue encontrada en una pequeña galaxia (un centésimo del tamaño de nuestra galaxia, la Vía Láctea), y los científicos creen que las galaxias como esa pueden ser los sitios ideales para estrellas gigantes, que de alguna manera hacen que sobrepasen el límite de los 150 soles en tamaño.

Más información:
Weizmann Institute of Science

Fuente: Weizmann Institute of Science.

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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.

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