Webb descubre decenas de remanentes de supernovas en la Galaxia del Triángulo

La astronomía infrarroja ha revelado mucho sobre el universo, desde los discos protoplanetarios y las nebulosas hasta las enanas marrones, las auroras y los volcanes en cuerpos celestes. De cara al futuro, los astrónomos esperan realizar estudios infrarrojos de los remanentes de supernovas (SNR), que proporcionarán información vital sobre la física de estas explosiones.

Si bien se espera que los estudios en el espectro infrarrojo cercano a medio (NIR-MIR) proporcionen datos sobre la composición atómica de los SNR, los estudios en el infrarrojo medio a lejano (MIR-FIR) deberían proporcionar una visión detallada de los granos de polvo calentados que expulsan al medio interestelar (ISM).

Desafortunadamente, estos estudios se han restringido en gran medida a la Vía Láctea y las Nubes de Magallanes debido a las limitaciones de los observatorios infrarrojos anteriores. Sin embargo, estos regímenes de observación ahora son accesibles gracias a instrumentos de próxima generación como el Telescopio Espacial James Webb (JWST).

En un estudio reciente publicado en el servidor de preimpresión arXiv, un equipo dirigido por investigadores de la Universidad Estatal de Ohio presentó las primeras imágenes infrarrojas con resolución espacial de remanentes de supernova (SNR) en la Galaxia del Triángulo (también conocida como Messier 33). Sus observaciones les permitieron adquirir imágenes de 43 SNR, gracias a la sensibilidad y resolución sin precedentes de los instrumentos IR del Webb.

El equipo estuvo dirigido por el Dr. Sumit K. Sarbadhicary, ex becario postdoctoral del Centro de Cosmología y Física de Astropartículas (CCAP) de la OSU y actual científico investigador asistente en la Universidad Johns Hopkins (JHU).

A él se unieron varios astrónomos y físicos de la OSU, el Centro de Astrofísica de Harvard y Smithsonian, el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron, el Instituto de Astrofísica Teórica de la Universidad de Heidelberg, el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) y el Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScI).

El artículo que describe sus hallazgos está siendo revisado para su publicación en The Astrophysical Journal.

Como explican en su estudio, las relaciones señal-ruido (SNR) en la Vía Láctea y las Nubes de Magallanes son las mejor estudiadas en el universo porque son las más cercanas. Esto ha permitido a los astrónomos realizar estudios detallados que revelaron sus estructuras en la mayoría de las longitudes de onda, incluido el infrarrojo.

Como el Dr. Sarbadhicary le dijo a Universe Today por correo electrónico, los estudios de estas relaciones señal-ruido (SNR) han enseñado mucho a los astrónomos. Esto incluye la producción de polvo, la composición de las explosiones de supernovas y la física de las ondas de choque astrofísicas, en particular las que viajan a través de densas nubes de gas donde podrían estar formándose nuevas estrellas.

Sin embargo, como explicó Sarbadhicary, estos estudios todavía se han limitado a nuestra galaxia y sus satélites, lo que ha limitado lo que los astrónomos pueden aprender sobre estos importantes eventos astronómicos:

«[El] único problema es que no hemos podido salir de las Nubes de Magallanes y explorar las relaciones señal-ruido en galaxias más distantes en el infrarrojo. Sabemos que otras galaxias del Grupo Local, como Andrómeda (M31) y Triángulo (M33), tienen varios cientos de relaciones señal-ruido, por lo que existe un tremendo potencial para construir estadísticas.

«Además, las relaciones señal-ruido que emiten infrarrojos son una especie algo rara, que se encuentra principalmente en explosiones que ocurrieron cerca de gas molecular denso que es parte del medio interestelar o material perdido por la estrella progenitora antes de la explosión. Por eso, contar con más objetos sería realmente útil».

La primera generación de estudios de relación señal-ruido en longitudes de onda infrarrojas se llevó a cabo con el Satélite Astronómico Infrarrojo (IRAS) de la NASA y el Observatorio Espacial Infrarrojo (ISO) de la ESA. A pesar de su limitada resolución espacial y la confusión de mirar a través del plano galáctico, estos observatorios lograron identificar alrededor del 30% de las relaciones señal-ruido en la Vía Láctea entre 10 y 100 micrómetros (µm), que corresponden a partes del espectro infrarrojo medio y lejano (MIR, NIR).

En las últimas décadas, la astronomía infrarroja se ha beneficiado enormemente de misiones como el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA y el Observatorio Espacial Herschel de la ESA. Estos observatorios cuentan con resoluciones angulares más altas y pueden realizar estudios en partes más amplias del espectro infrarrojo: de 3 a 160 µm para Spitzer y de 70 a 500 µm para Herschel.

Sus observaciones condujeron a estudios galácticos de campo amplio: el Legado Galáctico Infrarrojo Midplane Survey Extraordinaire (GLIMPSE), el MIPS Galactic Plane Survey (MIPSGAL) y el Herschel infrared Galactic Plane Survey (Hi-GAL), y los primeros estudios IR extragalácticos de alta calidad de las SNR.

«Desafortunadamente, la resolución angular del telescopio Spitzer (el predecesor del JWST) simplemente no era lo suficientemente buena como para recuperar el mismo detalle espacial en galaxias más distantes», agregó Sarbadhicary. «Si bien es posible que veas un pequeño destello con Spitzer, sería difícil determinar (a estas distancias) si se debe a la SNR o a una combinación de estrellas y emisión difusa».

Afortunadamente, la situación ha mejorado aún más con el despliegue del telescopio espacial James Webb (JWST). Según Sarbadhicary, la mayor resolución del Webb y los instrumentos IR avanzados están proporcionando imágenes más profundas y nítidas de las relaciones señal-ruido en las longitudes de onda del infrarrojo cercano y medio:
«Ya habíamos visto el potencial del JWST para revolucionar los estudios de las relaciones señal-ruido a partir de nuevas imágenes nítidas de relaciones señal-ruido conocidas, como Cassiopeia A en nuestra galaxia y 1987A en la Gran Nube de Magallanes, publicadas en artículos recientes. Las imágenes revelaron una cantidad de detalles sin precedentes sobre los restos de la explosión, el material perdido por la estrella antes de la explosión y mucho más.

«Esta combinación superior de sensibilidad y resolución angular también permite ahora al JWST recuperar imágenes de relaciones señal-ruido en galaxias casi 20 veces más lejanas que las Nubes de Magallanes (por ejemplo, M33 en nuestro artículo), con el mismo nivel de detalle encontrado por Spitzer en las relaciones señal-ruido en las Nubes de Magallanes. Lo que resulta particularmente útil debido a la alta resolución angular del JWST es que es menos probable que confundamos las SNR con estructuras superpuestas como las regiones HII (gas fotoionizado por estrellas masivas).»

Para su estudio, Sarbadhicary y su equipo aprovecharon las observaciones de archivo del JWST de la galaxia Trangulum (M33) en cuatro campos del JWST. Dos de ellos cubrieron las regiones central y sur de M33 con observaciones separadas utilizando la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) del Webb y su generador de imágenes de infrarrojo medio (MIRI).

El tercero involucró observaciones MIRI de una larga franja radial que mide alrededor de 5 kiloparsecs (~16.300 años luz), una que cubre la nebulosa de emisión gigante en M33 (NGC 604) con múltiples observaciones NIRCam y MIRI. Luego superpusieron estas observaciones con las SNR identificadas previamente a partir de estudios de múltiples longitudes de onda.

También consideraron los volúmenes de datos de múltiples longitudes de onda que las misiones anteriores han obtenido de esta galaxia. Esto incluye Imágenes de estrellas adquiridas por el venerable Hubble y observaciones de gas neutro frío realizadas por el Atacama Large Millimeter-submillimeter Array (ALMA) y el Very Large Array (VLA).

Como indicó Sarbadhicary, los resultados revelaron algunas cosas muy interesantes sobre las relaciones señal-ruido (SNR) en la Galaxia del Triángulo. Sin embargo, dado que su estudio cubrió solo el 20% de las SNR en M33, también señaló que estos resultados son solo la punta del iceberg:

«El hallazgo más sorprendente fue la presencia de emisión de hidrógeno molecular en dos de las tres SNR donde tuvimos observaciones de F470N (un filtro de banda estrecha centrado en la línea de rotación de 4,7 micrones de la molécula de hidrógeno). El hidrógeno molecular es, con mucho, la molécula más abundante en el gas interestelar, pero debido a la simetría de la molécula, no puede producir radiación visible a las temperaturas frías típicas del gas interestelar.

«Solo cuando se calienta por choques o emisión ultravioleta, el H2 emite radiación (como a 4,7 micrones), por lo que es un trazador muy útil de los choques que golpean el gas molecular denso, donde ocurre la formación de estrellas».

Si bien los astrónomos han visto esta emisión en varias SNR dentro de la Vía Láctea, esta fue la primera vez que se realizaron tales observaciones de una fuente extragaláctica. «Los datos del JWST también revelaron que entre el 14% y el 20% de las SNR en M33 se emitieron emisiones de hidrógeno molecular. «El 43% de las SNR muestran emisión infrarroja visible», añadió Sarbadhicary.

«Las SNR infrarrojas más brillantes de nuestra muestra también son algunas de las más pequeñas de M33 y las más brillantes en otras longitudes de onda, especialmente rayos X, radio y ópticas. Esto significa que las ondas de choque en estas SNR siguen viajando relativamente rápido y golpeando material de alta densidad en el entorno, lo que hace que una cantidad sustancial de la energía de la onda de choque se irradie en líneas infrarrojas y polvo que iluminan la emisión observada en nuestras imágenes de banda ancha».

Los resultados muestran cómo la alta resolución angular de Webb permitirá a los astrónomos realizar observaciones infrarrojas de alta precisión de grandes poblaciones de SNR en galaxias más allá de las Nubes de Magallanes. Esto incluye M33, la Galaxia de Andrómeda (M31) y galaxias vecinas del Grupo Local como la Galaxia del Remolino del Sur (M83), la Galaxia de los Fuegos Artificiales (NGC 6946), la Galaxia del Remolino (M51), múltiples galaxias enanas en el Grupo Local y muchas más. Sarbadhicary dijo:

«Personalmente, estoy muy entusiasmado por poder estudiar la población de SNR que impactan el gas denso con el JWST, ya que la física de cómo los choques impactan el gas denso y regulan la formación de estrellas en las galaxias es un tema importante en astronomía. Las longitudes de onda infrarrojas tienen un tesoro de líneas iónicas y moleculares (como el H2 que encontramos) que se excitan en nubes de gas cálidas y de alta densidad por los choques, por lo que estas observaciones pueden ser realmente útiles.

«También hay algunas SNR raras similares a Cassiopeia A en estas galaxias que son muy jóvenes y ricas en material eyectado de la explosión, y el JWST puede proporcionar mucha información nueva a partir de las líneas de emisión en el infrarrojo. Otra gran área de estudio es el polvo y cómo se produce y destruye en los choques».

Con información de arXiv