Nuevo modelo ofrece una nueva forma de analizar las potentes explosiones astrofísicas

Las explosiones astrofísicas son, por citar algunos ejemplos, las provocadas por el colapso del núcleo de hierro de una estrella masiva (conocida como supernova de colapso del núcleo), el consumo de restos estelares espaguetificados por un agujero negro masivo (conocido como evento de disrupción de marea) y la fusión nuclear descontrolada en la superficie de una enana blanca (conocida como supernova de tipo 1A). Estas explosiones ocurren con frecuencia, pero con mayor frecuencia en galaxias distantes, y sólo recientemente los astrónomos han podido observar lo suficientemente lejos en el espacio como para detectarlas en cantidades significativas, y muchas más están en camino.

Eric Coughlin, profesor adjunto de física en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Syracuse, ha desarrollado una forma novedosa de modelar rápidamente estas explosiones y el origen de la luz que finalmente vemos. Su investigación ha sido publicada en The Astrophysical Journal Letters.

«Con este nuevo conocimiento, podemos modelar la emisión de la interacción de una explosión con su entorno, lo que nos permite rastrear su evolución a lo largo del tiempo», dice Coughlin.

Durante muchos años, los astrónomos han sabido cuándo una estrella gigante ha muerto por su propio colapso gravitacional. Esto se debe a que su colapso conduce a la inversión de la implosión, ya que se forma una estrella de neutrones en su centro, lo que da lugar a una explosión que produce un estallido extremadamente intenso y luminoso, ahora conocido como supernova de colapso del núcleo. Las que se producen dentro de nuestra galaxia (o en otras galaxias muy cercanas) se pueden ver a simple vista, pero hoy en día muchas supernovas se detectan con telescopios modernos a un ritmo de decenas por noche.

Sin embargo, otros tipos de explosiones son menos fáciles de identificar, porque son demasiado distantes o se atenúan demasiado rápido. Los estallidos electromagnéticos que se desvanecen rápidamente, por ejemplo, son fáciles de pasar por alto a menos que miremos el lugar correcto en el cielo en el momento adecuado. No obstante, pueden descargar una cantidad de energía comparable a la de una explosión de supernova estándar.

«Estas explosiones pueden liberar miles de millones y miles de millones y miles de millones de bombas atómicas cada día», dice Coughlin. «Este tipo de fenómenos transitorios de alta energía se producen constantemente en el universo».

Los astrónomos buscan descubrir cosas sobre las supernovas de colapso de núcleo y otros fenómenos luminosos de rápida evolución en el espacio, conocidos colectivamente como «transitorios». El nuevo modelo de Coughlin ayudará en esta búsqueda.

Una supernova de colapso de núcleo se produce cuando la estrella de neutrones recién formada «rebota» e invierte la implosión estelar, impulsando una onda de choque a través de las capas más externas de la estrella. Grandes cantidades de restos de supernova (o material eyectado) son expulsados ​​al gas que rodea a la estrella moribunda.

El material eyectado es al principio extremadamente caliente e irradia enormes cantidades de luz, y la desintegración radiactiva de elementos atómicos pesados ​​también contribuye a la emisión. La interacción entre el material eyectado y el gas circundante también puede complementar (y en algunos casos dominar) esta emisión, ya que se generan dos ondas de choque adicionales que aceleran el gas circundante y desaceleran el material eyectado que se mueve hacia el exterior.

Esta «capa» de material en estado de choque se expande hacia afuera con el tiempo, produciendo no sólo luz visible, sino también emisiones de radio que indican la presencia de gas calentado por el choque. El modelo de Coughlin proporciona una nueva metodología para rastrear la evolución de la capa que se genera a través de esta interacción, que se puede utilizar junto con datos de radio para inferir propiedades de la explosión, como su energía.

Coughlin aplicará su modelo a los datos del Legacy Survey of Space and Time (LSST), que llevará a cabo el Observatorio Vera C. Rubin, que se pondrá en funcionamiento el próximo año en la Cordillera de los Andes de Chile. El Observatorio Rubin realizará un estudio del cielo de 10 años que proporcionará enormes volúmenes de datos astronómicos que los astrónomos analizarán, lo que conducirá a nuevos descubrimientos sobre el universo dependiente del tiempo.

El Observatorio Rubin incluye un telescopio de clase mundial de 8,4 metros acoplado a una cámara de 3,2 gigapíxeles, que es la cámara digital más grande jamás construida para astronomía.

El telescopio tomará imágenes de todo el cielo visible del hemisferio sur cada tres o cuatro noches, lo que le permitirá detectar objetos más lejanos o más tenues que cambien brevemente de brillo o dirección.

«Observaremos miles de millones de galaxias durante los próximos 10 años y, en consecuencia, millones de estos fenómenos transitorios que son causados ​​por muchos fenómenos diferentes», dice Coughlin.

El conjunto de datos de acceso abierto del Observatorio Rubin será más grande y más detallado que cualquier otro que se haya presentado hasta ahora.

«Como astrónomo teórico, trato de reconstruir a partir de estos datos una imagen coherente de los fenómenos explosivos que ocurren ahí afuera», dice Coughlin. «Y trataré de comprender la física en juego, para recrear estos eventos explosivos».

Sin embargo, se necesita investigación interdisciplinaria para impulsar los primeros descubrimientos.

Coughlin ha recibido una beca «Scialog». La primera sesión de Scialog se reunirá en noviembre en Tucson, Arizona, para forjar conexiones entre 50 científicos en el inicio de su carrera: astrónomos observacionales, cosmólogos, físicos teóricos y astrofísicos, modeladores computacionales, científicos de datos e ingenieros de software.

Los participantes de Scialog planean aprovechar el tamaño sin precedentes de los conjuntos de datos para catalizar proyectos colaborativos.

«Estamos hablando de petabytes (un millón de gigabytes) de datos que hay que tratar y analizar», dice Coughlin. «Reuniremos a personas de diferentes disciplinas que piensan en soluciones a problemas que involucran enormes volúmenes de datos o nuevos métodos para usar estos datos para descubrir algo nuevo. El Observatorio Rubin nos ayudará a comprender mejor las muertes de estrellas masivas a medida que ocurren y producen enormes cantidades de energía. En última instancia, podríamos aprender qué es lo que impulsa algunos de estos eventos energéticos».

Con información de The Astrophysical Journal Letters