Desapareció una estrella en Andrómeda

Las estrellas masivas, unas ocho veces más masivas que el Sol, explotan como supernovas al final de sus vidas. Las explosiones, que dejan tras de sí un agujero negro o una estrella de neutrones, son tan energéticas que pueden eclipsar a sus galaxias anfitrionas durante meses. Sin embargo, los astrónomos parecen haber descubierto una estrella masiva que se saltó la explosión y se convirtió directamente en un agujero negro.

Las estrellas son actos de equilibrio entre la fuerza de fusión hacia afuera y la fuerza de su propia gravedad hacia adentro. Cuando una estrella masiva entra en sus últimas etapas evolutivas, comienza a quedarse sin hidrógeno y su fusión se debilita. La fuerza de fusión hacia afuera ya no puede contrarrestar la poderosa gravedad de la estrella y la estrella colapsa sobre sí misma. El resultado es una explosión de supernova, un evento calamitoso que destruye la estrella y deja tras de sí un agujero negro o una estrella de neutrones.

Sin embargo, parece que a veces estas estrellas no explotan como supernovas y, en cambio, se convierten directamente en agujeros negros.

Una nueva investigación muestra cómo una estrella supergigante masiva y sin hidrógeno en la galaxia de Andrómeda (M31) no logró detonar como una supernova. La investigación, publicada en el servidor de preimpresión arXiv, se titula «La desaparición de una estrella masiva que marca el nacimiento de un agujero negro en M31». El autor principal es Kishalay De, investigador postdoctoral en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT.

Este tipo de supernovas se denominan supernovas de colapso del núcleo, también conocidas como Tipo II. Son relativamente raras, ya que se produce una cada 100 años aproximadamente en la Vía Láctea. Los científicos están interesados ​​en las supernovas porque son responsables de la creación de muchos de los elementos pesados, y sus ondas de choque pueden desencadenar la formación de estrellas. También crean rayos cósmicos que pueden llegar a la Tierra.

Esta nueva investigación muestra que es posible que no comprendamos las supernovas tan bien como pensábamos.

La estrella en cuestión se llama M31-2014-DS1. Los astrónomos notaron que su brillo aumentaba en el infrarrojo medio (MIR) en 2014. Durante mil días, su luminosidad se mantuvo constante. Luego, durante otros mil días entre 2016 y 2019, se atenuó drásticamente. Es una estrella variable, pero eso no puede explicar estas fluctuaciones. En 2023, no se detectó en las observaciones de imágenes ópticas profundas y de infrarrojo cercano (NIR).

Los investigadores dicen que la estrella nació con una masa inicial de aproximadamente 20 masas estelares y alcanzó su fase terminal de combustión nuclear con aproximadamente 6,7 masas estelares. Sus observaciones sugieren que la estrella está rodeada por una capa de polvo recientemente expulsada, de acuerdo con una explosión de supernova, pero no hay evidencia de un estallido óptico.

«El dramático y sostenido desvanecimiento de M31-2014-DS1 es excepcional en el panorama de variabilidad de las estrellas masivas evolucionadas», escriben los autores. «La repentina disminución de la luminosidad en M31-2014-DS1 indica el cese de la combustión nuclear junto con un choque posterior que no logra superar el material que cae». Una explosión de supernova es tan poderosa que supera por completo el material que cae.

«A falta de evidencia de un estallido luminoso a tal proximidad, las observaciones de M31-2014-DS1 indican señales de una SN ‘fallida’ que conduce al colapso del núcleo estelar», explican los autores.

¿Qué puede hacer que una estrella no explote como supernova, incluso si tiene la masa adecuada para explotar?

Las supernovas son fenómenos complejos

La densidad dentro de un núcleo en colapso es tan extrema que los electrones se ven obligados a combinarse con los protones, creando neutrones y neutrinos. Este proceso se llama neutronización y crea una potente explosión de neutrinos que transporta alrededor del 10% de la energía de la masa en reposo de la estrella. La explosión se llama choque de neutrinos.

Los neutrinos reciben su nombre del hecho de que son eléctricamente neutros y rara vez interactúan con la materia normal. Cada segundo, alrededor de 400 mil millones de neutrinos de nuestro sol pasan a través de cada persona en la Tierra. Pero en un núcleo estelar denso, la densidad de neutrinos es tan extrema que algunos de ellos depositan su energía en el material estelar circundante. Esto calienta el material, lo que genera una onda de choque.

El choque de neutrinos siempre se detiene, pero a veces se reactiva. Cuando revive, provoca una explosión y expulsa la capa exterior de la supernova. Si no se revive, la onda de choque falla y la estrella colapsa y forma un agujero negro.

En M31-2014-DS1, el choque de neutrinos no se revivió. Los investigadores pudieron limitar la cantidad de material expulsado por la estrella, y fue muy inferior a lo que expulsaría una supernova. «Estas limitaciones implican que la mayoría del material estelar (≳5 masas solares) colapsó en el núcleo, superando la masa máxima de una estrella de neutrones (NE) y formando un BH», concluyen. Alrededor del 98% de la masa de la estrella colapsó y creó un agujero negro con aproximadamente 6,5 masas solares.

M31-2014-DS1 no es la única supernova fallida, o candidata a supernova fallida, que los astrónomos han encontrado. Son difíciles de detectar porque se caracterizan por lo que no sucede en lugar de lo que sucede. Una supernova es difícil de pasar por alto porque es muy brillante y aparece en el cielo de repente. Los astrónomos antiguos registraron varias de ellas.

En 2009, los astrónomos descubrieron la única otra supernova fallida confirmada. Se trataba de una estrella roja supergigante en NGC 6946, la «galaxia de los fuegos artificiales». Se llama N6946-BH1 y tiene alrededor de 25 masas solares. Después de desaparecer de la vista, dejó solo un débil resplandor infrarrojo. En 2009, su luminosidad aumentó a un millón de luminosidades solares, pero en 2015, había desaparecido de la luz óptica.

Un estudio con el Gran Telescopio Binocular monitoreó 27 galaxias cercanas, en busca de estrellas masivas que desaparecieran. Los resultados sugieren que entre el 20% y el 30% de las estrellas masivas pueden terminar sus vidas como supernovas fallidas. Sin embargo, M31-2014-DS1 y N6946-BH1 son las únicas observaciones confirmadas.

Con información de arXiv