Alex Filippenko es el tipo de persona que lleva un telescopio a una fiesta. Fiel a su estilo, en una velada el 18 de mayo de este año, cautivó a sus anfitriones con imágenes de cúmulos de estrellas y galaxias coloridas, incluida la espectacular galaxia espiral Molinete, y tomó fotografías telescópicas de cada una.
Sólo a última hora de la tarde siguiente se enteró de que acababan de descubrirse una brillante supernova en la galaxia Molinete. He aquí que él también lo había capturado, a las 11 p.m. la noche anterior, once horas y media antes del descubrimiento de la explosión el 19 de mayo por el astrónomo aficionado Koichi Itagaki en Japón.
Filippenko, profesor de astronomía en la Universidad de California, Berkeley, el estudiante graduado Sergiy Vasylyev y el becario postdoctoral Yi Yang abandonaron sus observaciones planificadas en el Observatorio Lick de la UC en el Monte Hamilton unas horas más tarde para centrarse en la estrella en explosión, que había sido denominado SN 2023ixf. Ellos y cientos de otros astrónomos estaban ansiosos por observar la supernova más cercana desde 2014, a apenas 21 millones de años luz de la Tierra.
Estas observaciones fueron las primeras mediciones de luz polarizada de una supernova y mostraron más claramente la forma en evolución de una explosión estelar. La polarización de la luz de fuentes distantes como las supernovas proporciona la mejor información sobre la geometría del objeto que emite la luz, incluso para eventos que no pueden resolverse espacialmente.
“Algunas estrellas antes de explotar pasan por ondulaciones (un comportamiento intermitente que expulsa suavemente parte del material) de modo que cuando la supernova explota, la onda de choque o la radiación ultravioleta hacen que el material brille”, dijo Filippenko. “Lo bueno de la espectropolarimetría es que obtenemos alguna indicación de la forma y extensión del material circunestelar”.
Los datos de espectropolarimetría contaron una historia en línea con los escenarios actuales para los últimos años de una estrella supergigante roja entre 10 y 20 veces más masiva que nuestro sol: la energía de la explosión iluminó las nubes de gas que la estrella arrojó durante los años anteriores; Luego, el material eyectado atravesó este gas, inicialmente perpendicular a la mayor parte del material circunestelar; y finalmente, la eyección envolvió el gas circundante y evolucionó hasta convertirse en una nube de escombros en rápida expansión pero simétrica.
La explosión, una supernova de tipo II resultante del colapso del núcleo de hierro de una estrella masiva, presumiblemente dejó tras de sí una densa estrella de neutrones o un agujero negro. Estas supernovas se utilizan como velas calibrables para medir las distancias a galaxias distantes y cartografiar el cosmos.
Otro grupo de astrónomos dirigido por Ryan Chornock, profesor asociado adjunto de astronomía de UC Berkeley, recopiló datos espectroscópicos utilizando el mismo telescopio en el Observatorio Lick. El estudiante de posgrado Wynn Jacobson-Galán y la profesora Raffaella Margutti analizaron los datos para reconstruir la historia previa y posterior a la explosión de la estrella, y encontraron evidencia de que había arrojado gas durante los tres a seis años anteriores antes de colapsar y explotar. La cantidad de gas desprendido o expulsado antes de la explosión podría haber sido el 5% de su masa total, suficiente para crear una densa nube de material a través de la cual la supernova eyectada tuvo que atravesar.
“Creo que esta supernova nos hará pensar con mucho más detalle sobre las sutilezas de toda la población de supergigantes rojas que pierden mucho material antes de la explosión y desafiará nuestras suposiciones sobre la pérdida de masa”, dijo Jacobson-Galán. “Este fue un laboratorio perfecto para comprender con más detalle la geometría de estas explosiones y la geometría de la pérdida de masa, algo que ya sentíamos ignorantes”.
La mejor comprensión de cómo evolucionan las supernovas de Tipo II podría ayudar a refinar su uso como medidas de distancia en el universo en expansión, dijo Vasylyev.
Los dos artículos que describen estas observaciones han sido aceptados para su publicación en The Astrophysical Journal Letters. Margutti y Chornock son coautores de ambos artículos, que actualmente están disponibles en el servidor de preimpresión arXiv.
Una de las supernovas más estudiadas hasta la fecha
En los más de tres meses transcurridos desde que la luz de la supernova llegó a la Tierra, se han presentado o publicado quizás tres docenas de artículos al respecto, y habrá más a medida que la luz de la explosión siga llegando y se analicen las observaciones de una variedad de telescopios.
“En el mundo de las supernovas de tipo II, es muy raro que se detecten básicamente todas las longitudes de onda, desde rayos X duros hasta rayos X suaves, ultravioleta, óptico, infrarrojo cercano, radio, milimétrico. Así que es realmente raro y único. oportunidad”, dijo Margutti, profesora de física y astronomía de Berkeley. “Estos artículos son el comienzo de una historia, el primer capítulo. Ahora estamos escribiendo los otros capítulos de la historia de esa estrella”.
“La cuestión general aquí es que queremos conectar cómo vive una estrella con cómo muere”, dijo Chornock. “Dada la proximidad de este evento, nos permitirá desafiar las suposiciones simplificadoras que tenemos que hacer en la mayoría de las otras supernovas que estudiamos. Tenemos tal riqueza de detalles que vamos a tener que descubrir cómo “Encajarlo todo para comprender este objeto en particular, y luego eso informará nuestra comprensión del universo más amplio”.
Los telescopios del Observatorio Lick en la cima del Monte Hamilton, cerca de San José, fueron fundamentales para los esfuerzos de los astrónomos por obtener una imagen completa de la supernova. El espectrógrafo Kast del telescopio Shane de 120 pulgadas puede cambiar rápidamente de un espectrómetro normal a un espectropolarímetro, lo que permitió a Vasylyev y Filippenko obtener mediciones tanto del espectro como de su polarización. El grupo liderado por Jacobson-Galán, Chornock y Margutti empleó tanto el espectrógrafo Kast como el fotómetro del telescopio Nickel de 40 pulgadas, con fotometría (mediciones de brillo) también del telescopio Pan-STARRS en Hawaii a través de la colaboración del Young Supernova Experiment.
La polarización de la luz emitida por un objeto (es decir, la orientación del campo eléctrico de la onda electromagnética) transmite información sobre la forma del objeto. La luz de una nube esféricamente simétrica, por ejemplo, no estaría polarizada porque los campos eléctricos se cancelan simétricamente. Sin embargo, la luz de un objeto alargado produciría una polarización distinta de cero.
Si bien las mediciones de polarimetría de supernovas se han realizado durante más de tres décadas, pocas están lo suficientemente cerca (y por lo tanto lo suficientemente brillantes) para tales mediciones. Y no se ha observado ninguna otra supernova tan pronto como 1,4 días después de la explosión, como ocurrió con SN 2023ixf.
Las observaciones arrojaron algunas sorpresas
“Lo más interesante es que esta supernova muestra una polarización continua muy alta, casi el 1%, en sus primeros momentos”, dijo Vasylyev. “Eso suena como un número pequeño, pero en realidad es una enorme desviación de la simetría esférica”.
Basándose en los cambios de intensidad y dirección de la polarización, los investigadores pudieron identificar tres fases distintas en la evolución de la estrella en explosión. Entre uno y tres días después de la explosión, la luz estuvo dominada por la emisión del medio circunestelar, tal vez un disco de material o una masa torcida de gas arrojada anteriormente por la estrella. Esto se debió a la ionización del gas circundante por la luz ultravioleta y de rayos X de la explosión y por el material estelar que atravesó el gas, la llamada ionización de choque.
“Desde el principio, decimos que la mayor parte de la luz que estamos viendo proviene de algún tipo de medio circunestelar no esférico que está confinado a alrededor de 30 UA”, dijo Yang. Una unidad astronómica (UA), la distancia promedio entre la Tierra y nuestro sol, es de 93 millones de millas.
A los 3,5 días, la polarización cayó rápidamente a la mitad y luego, un día después, cambió casi 70 grados, lo que implica un cambio abrupto en la geometría de la explosión. Interpretan este momento, 4,6 días después de la explosión, como el momento en que la eyección de la estrella en explosión se desprendió del denso material circunestelar.
“Básicamente, envuelve el material circunestelar y se obtiene esta geometría en forma de maní”, dijo Vasylyev. “La intuición es que el material en el plano ecuatorial es más denso, y la eyección se ralentiza, y el camino de menor resistencia será hacia el eje donde hay menos material circunestelar. Es por eso que se alinea esta forma de maní con el eje preferencial. eje a través del cual explota.”
La polarización permaneció sin cambios entre los días 5 y 14 después de la explosión, lo que implica que los eyectados en expansión habían abrumado la región más densa del gas circundante, permitiendo que la emisión de los eyectados dominara sobre la luz de la ionización de choque.
Ionización de choque
La evolución espectroscópica coincidió aproximadamente con este escenario, dijo Jacobson-Galán. Él y su equipo observaron emisiones del gas que rodeaba la estrella aproximadamente un día después de la explosión, probablemente producidas cuando la eyección chocó contra el medio circunestelar y produjo radiación ionizante que provocó que el gas circundante emitiera luz. Las mediciones espectroscópicas de la luz de esta ionización de choque mostraron líneas de emisión de hidrógeno, helio, carbono y nitrógeno, lo cual es típico de las supernovas con colapso del núcleo.
Las emisiones producidas por la ionización de choque continuaron durante unos ocho días, después de los cuales disminuyeron, lo que indica que la onda de choque se había movido a un área menos densa del espacio con poco gas para ionizar y reemitir, similar a lo que observaron Vasylyev y Filippenko.
Margutti señaló que otros astrónomos observaron imágenes de archivo de la galaxia Molinete y encontraron varias ocasiones en las que la estrella progenitora brilló en los años previos a la explosión, lo que sugiere que la supergigante roja desprendía gas repetidamente. Esto es consistente con las observaciones de su grupo de las eyecciones de la explosión que atravesaron este gas, aunque estiman una densidad aproximadamente 1.000 veces menor que la implicada por las ondulaciones previas a la explosión.
El análisis de otras observaciones, incluidas las mediciones de rayos X, podría resolver este problema.
“Esta es una situación muy especial en la que sabemos qué estaba haciendo el progenitor antes porque lo vimos oscilar lentamente y tenemos todas las sondas en su lugar para intentar reconstruir la geometría del medio circunestelar”, dijo. “Y sabemos con certeza que no puede ser esférico. Al juntar los rayos X radiantes con lo que encontró Wynn y lo que están encontrando Sergiy y Alex, podremos tener una imagen completa de la explosión”.
Los astrónomos agradecieron la ayuda de numerosos investigadores y estudiantes que renunciaron a su tiempo de observación en Lick para permitir que los equipos se centraran en SN 2023ixf, y la asistencia de observación de Thomas Brink, especialista asociado en astronomía de UC Berkeley.
Filippenko capturó su primera fotografía de SN 2023ixf con un Unistellar eVscope, que se ha vuelto popular entre los aficionados porque el telescopio sustrae la luz de fondo y, por lo tanto, permite la observación nocturna en áreas como ciudades, con mucha contaminación lumínica. Él y otros 123 astrónomos (en su mayoría aficionados) que utilizan telescopios Unistellar publicaron recientemente sus primeras observaciones de la supernova.
“Esta observación fortuita, obtenida mientras realizaba actividades de divulgación pública en astronomía, muestra que la estrella explotó considerablemente antes que cuando Itagaki la descubrió”, dijo, y añadió en tono de broma: “Debería haber examinado inmediatamente mis datos”.
Con información de arXiv
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