El núcleo expuesto de esta supernova es desconcertante

Según la teoría, las estrellas tienen capas como cebollas. Estas capas están compuestas de diferentes elementos, que van de ligeros a pesados ​​a medida que son más profundas. Si bien la teoría es sólida, observar las capas internas de una estrella ha sido prácticamente imposible.

Hasta ahora

Astrónomos del Observatorio Keck en Hawái han obtenido datos espectroscópicos de una supernova descubierta por la Zwicky Transient Facility en 2021. La estrella en explosión se encuentra a 2200 millones de años luz de distancia y se denomina SN 2021yfj. Los datos del Keck mostraron la presencia de silicio, azufre y argón ionizados. Estos nunca se habían observado en una supernova, ya que suelen estar enterrados bajo otras capas.

Este descubrimiento confirma parte de la comprensión teórica de las estrellas en explosión y cuestiona otras.

Los astrónomos saben que, a medida que una estrella masiva envejece y evoluciona hacia la explosión como supernova, expulsa material de sus capas externas. Lo han observado y estas observaciones lo demuestran. Pero esta estrella ha expulsado más material que cualquier otra estrella observada previamente.

Las observaciones se presentan en un nuevo artículo publicado en el servidor de preimpresiones arXiv titulado «Un sitio de formación cósmica de silicio y azufre revelado por un nuevo tipo de explosión de supernova». El autor principal es Steve Schulze, investigador asociado del Centro para la Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA) de la Universidad Northwestern.

«Esta es la primera vez que observamos una estrella prácticamente desprovista de material», declaró Schulze en un comunicado de prensa. «Nos muestra cómo se estructuran las estrellas y demuestra que pueden perder mucho material antes de explotar. No solo pueden perder sus capas más externas, sino que pueden ser desprovistas por completo hasta el núcleo y aun así producir una explosión brillante que podemos observar desde distancias muy lejanas».

Cuando los astrónomos observan una supernova, suelen ver fuertes indicios de elementos ligeros como el hidrógeno y el helio. A veces también se observan capas de elementos como carbono, oxígeno, neón y magnesio si se han desprendido las capas más externas de hidrógeno y helio. Las capas más profundas, que contienen elementos más pesados ​​como silicio, azufre y argón, quedan ocultas.

La comprensión teórica tradicional de las estrellas indica que las estrellas masivas están estructuradas en capas, como cebollas, y estas nuevas observaciones de Keck lo confirman. Al observar las capas internas de una estrella masiva justo antes de su explosión, este descubrimiento representa la primera vez que las observaciones respaldan esta teoría con tanta claridad.

Sin embargo, las observaciones también plantean un desafío. Los astrofísicos saben que las estrellas masivas expulsan material antes de explotar como supernova. Las ondas de choque de la materia expulsada interactúan con el medio circundante, calentándolo y creando señales luminosas observables. Pero SN 2021yfj debe haber expulsado mucho más material de lo que se creía posible, ya que está reducido a su núcleo.

«Este evento, literalmente, no se parece a nada que se haya visto antes», añadió Adam Miller, profesor adjunto de física y astronomía en Northwestern y autor principal del estudio. «Esta estrella nos dice que nuestras ideas y teorías sobre la evolución de las estrellas son demasiado limitadas. No es que nuestros libros de texto estén equivocados, sino que claramente no abarcan por completo todo lo que se produce en la naturaleza. Debe haber vías más exóticas para que una estrella masiva termine su vida que no habíamos considerado».

Las estrellas masivas tienen la capacidad de fusionar elementos más ligeros en elementos más pesados ​​mediante un proceso llamado nucleosíntesis. (Sin la nucleosíntesis estelar, los únicos elementos del universo serían los creados durante el Big Bang).

A lo largo de su vida de fusión, una estrella masiva quema elementos más ligeros como el hidrógeno y el helio en sus capas externas, mientras que en su núcleo quema sucesivamente elementos más pesados ​​en sus capas más profundas. Finalmente, una estrella termina con un núcleo de hierro. El hierro no puede quemarse para liberar más energía, por lo que una vez que el núcleo está dominado por este material, la fusión prácticamente cesa. Sin la presión externa de la fusión, la estrella colapsa sobre sí misma y explota como una supernova.

Los astrofísicos han observado anteriormente capas de helio, carbono y oxígeno en estrellas en explosión, las cuales son visibles después de que la estrella haya expulsado su capa externa de hidrógeno. Al observar el silicio, el azufre y el argón, significa que esta estrella ha expulsado no solo su capa externa de helio, sino también otras capas. Esto probablemente ocurrió en múltiples episodios, en lugar de todos a la vez.

«Las estrellas experimentan inestabilidades muy fuertes», dijo Schulze. Estas inestabilidades son tan violentas que pueden provocar la contracción de la estrella. Luego, libera repentinamente tanta energía que desprende sus capas más externas. Puede hacerlo varias veces.

Alex Filippenko es profesor de astronomía en la Universidad de California en Berkeley y coautor del artículo. Trabajaba con el telescopio Keck cuando se descubrió SN 2021yfj y rápidamente adaptó su espectro para capturarlo con el LRIS del telescopio.

«Es muy emocionante descubrir una nueva clase de estrella en explosión, especialmente una que confirma algunas de nuestras teorías sobre la evolución temporal de las estrellas masivas, a la vez que revela nuevos e interesantes enigmas», declaró Filippenko. «Fue una gran suerte que mi equipo utilizara el telescopio Keck I la noche en que se descubrió SN 2021yfj; pudimos obtener un espectro que nos permitió comprender directamente que se trataba de un nuevo tipo de supernova increíblemente especial. ¡Oportunidades de este tipo son excepcionales!» El silicio, el azufre y el argón de la estrella no siempre estuvieron presentes. Estos elementos se crearon mediante nucleosíntesis en el interior de la estrella a medida que se acercaba al final de su vida.

«Esta estrella perdió la mayor parte del material que produjo a lo largo de su vida», afirmó Schulze. «Por lo tanto, solo pudimos ver el material formado durante los meses previos a su explosión. Algo muy violento debió ocurrir para provocarla».

Esta pregunta es la clave de este descubrimiento. ¿Es SN 2021yfj un nuevo tipo de supernova definido por un nuevo y poderoso proceso que la despojó de sus capas externas? Algunas de las explicaciones que el equipo está considerando son las interacciones con una estrella compañera, vientos estelares inusuales y extremadamente potentes, y una erupción masiva que precedió a la explosión de la supernova.

«Las estrellas masivas pueden perder una cantidad sustancial de su masa de nacimiento debido a vientos estelares, erupciones e interacción con una estrella compañera», escriben los investigadores en su artículo. La presencia de helio en el material circunestelar de esta estrella resulta desconcertante, ya que suele expulsarse en las primeras etapas del proceso de supernova. «Dado que las estrellas masivas tienden a vivir en sistemas binarios, no es improbable que tengan una compañera de helio con un viento fuerte», escriben. Esto podría explicar el helio.

Los investigadores creen que la explicación más probable es que esta estrella masiva simplemente se autodestruyera. Los núcleos estelares de las estrellas masivas se encuentran bajo una intensa presión gravitacional que eleva sus temperaturas hasta que se reactiva la fusión nuclear, generando una potente explosión. La explosión destruye las capas externas de la estrella. El proceso es repetitivo y, cada vez que ocurre, se expulsa más material hasta que se hace visible el núcleo más profundo.

Las supernovas se clasifican según la espectroscopía, centrada en el hidrógeno. El tipo 1 muestra helio, pero no hidrógeno, y el tipo 2, hidrógeno. Cada clasificación tiene subtipos basados ​​en otras líneas espectrales. La secuencia de subtipos etiquetados refleja la cantidad de desprendimiento de las estrellas progenitoras.

«Nuestras observaciones… sugieren que la SN 2021yfj es, de hecho, el primer ejemplo de una SN de tipo Ien», escriben los investigadores en su artículo. Se trata de un nuevo tipo que carece de líneas de hidrógeno o helio, y en su lugar está dominado por líneas de emisión de silicio, azufre y argón altamente ionizados.

Dado que solo existe un ejemplo de este tipo, aún quedan muchas preguntas. Como suele ocurrir en astronomía, un conjunto de datos más amplio probablemente nos dará algunas respuestas.

«Si bien tenemos una teoría sobre cómo la naturaleza creó esta explosión en particular», dijo Miller, «no apostaría mi vida a que sea correcta, porque aún solo hemos descubierto un ejemplo. Aún no comprendemos completamente cómo la naturaleza creó esta explosión en particular. Esta estrella subraya la necesidad de descubrir más de estas raras supernovas para que podamos seguir estudiándolas».

Con información de arXiv