Captan el nacimiento de un magnetar

Los astrónomos han presenciado por primera vez el nacimiento de un magnetar (una estrella de neutrones giratoria y altamente magnetizada) y han confirmado que es la fuente de energía de algunas de las explosiones estelares más brillantes del cosmos. El hallazgo corrobora una teoría propuesta por un físico de la Universidad de California en Berkeley hace 16 años y establece un nuevo fenómeno en las explosiones estelares: las supernovas con un «chirrido» en su curva de luz, causado por la relatividad general. Un artículo que describe el fenómeno se publicó en la revista Nature.

Las supernovas superluminosas, que pueden ser 10 o más veces más brillantes que las supernovas comunes, han desconcertado a los astrónomos desde su descubrimiento a principios de la década del 2000. Se creía que eran el resultado de la explosión de estrellas muy masivas, quizás 25 veces la masa de nuestro Sol, pero mantuvieron su brillo mucho más tiempo del esperado cuando el núcleo de hierro de una estrella colapsa y sus capas externas son posteriormente expulsadas.

En 2010, Dan Kasen, ahora astrofísico teórico y profesor de física de la Universidad de California en Berkeley, fue el primero en proponer que un magnetar alimentaba este brillo de larga duración.

Según la teoría, coescrita con Lars Bildsten y sugerida independientemente por Stanford Woosley, de la Universidad de California en Santa Cruz, cuando una estrella masiva colapsa al final de su vida, comprime gran parte de su masa formando una estrella de neutrones muy compacta, un destino casi equivalente a colapsar en un agujero negro.

Si la estrella originalmente tenía un campo magnético muy intenso, este se habría amplificado durante la formación del magnetar, produciendo un campo de 100 a 1000 veces más intenso que el de las estrellas de neutrones giratorias normales, las llamadas púlsares.

Los púlsares y sus hermanos mayores altamente magnetizados, los magnetares, tienen solo unos 16 kilómetros de diámetro, pero en su juventud pueden girar más de 1000 veces por segundo.

A medida que el magnetar gira, el campo magnético giratorio puede acelerar partículas cargadas que chocan contra los escombros de la supernova en expansión, aumentando su brillo. También se cree que los magnetares son la fuente de ráfagas rápidas de radio.

El estudiante de posgrado Joseph Farah, de la Universidad de California en Santa Bárbara y del Observatorio Las Cumbres (LCO), confirmó la conexión entre los magnetares y las supernovas superluminosas de Tipo I (SLSNe-I) tras analizar datos de una supernova de 2024 denominada SN 2024afav.

En el artículo de Nature, Farah y sus colegas propusieron una explicación relativista general para las inusuales protuberancias en la curva de luz de esta supernova —lo que denominan chirrido— que la vinculan de forma concluyente con un magnetar.

«Lo realmente emocionante es que esta es una prueba definitiva de la formación de un magnetar como resultado del colapso del núcleo de una supernova superluminosa», afirmó Alex Filippenko, profesor distinguido de astronomía de la Universidad de California en Berkeley, coautor del artículo y uno de los futuros mentores de Farah.

«La base del modelo de Dan Kasen y Stan Woosley es que solo se necesita la energía del magnetar en sus profundidades y una buena parte será absorbida, lo que explica por qué es superluminoso. Lo que no se había demostrado era que, de hecho, se formara un magnetar en medio de la supernova, y eso es lo que demuestra el artículo de Joseph.»

«Durante años, la idea del magnetar se ha sentido casi como un truco de magia teórico: ocultar un potente motor tras capas de restos de supernova. Era una explicación natural del extraordinario brillo de estas explosiones, pero no podíamos verlo directamente», dijo Kasen.

«El chirrido en esta señal de supernova es como si ese motor descorriera la cortina y revelara que realmente está ahí.»

Descubrimiento a distancia
Tras el descubrimiento de SN 2024afav en diciembre de 2024, el Observatorio Las Cumbres —una red de 27 telescopios en todo el mundo— la rastreó y midió su brillo durante más de 200 días. La estrella en explosión se encontraba a unos mil millones de años luz de la Tierra.

Farah, en colaboración con el astrónomo de la UCSB Andy Howell, observó que, tras alcanzar su máximo brillo unos 50 días después de la explosión, no se desvaneció gradualmente como las supernovas típicas. En cambio, su brillo osciló lentamente hacia abajo, con el período de las oscilaciones acortándose gradualmente, produciendo una serie de cuatro protuberancias. Comparó esto con un sonido que aumentaba gradualmente de frecuencia, similar al canto de un pájaro.

Se sabía que las supernovas superluminosas anteriores presentaban un par de protuberancias en su curva de luz en decaimiento, lo que algunos interpretaron como el choque de la supernova al colisionar con capas de gas agrupadas alrededor de la estrella, aumentando brevemente su brillo. Pero nadie había observado tantas como cuatro.

Según el modelo de Farah, parte del material de la explosión de SN 2024afav retrocedió hacia el magnetar, formando un disco de materia llamado disco de acreción. Dado que es poco probable que el material alrededor del magnetar sea simétrico, el disco de acreción tampoco sería simétrico con respecto a la estrella de neutrones giratoria, lo que provocaría una desalineación del eje de giro del magnetar y el eje de giro del disco de acreción.

Dado que la relatividad general establece que una masa giratoria arrastra consigo el espacio-tiempo, el magnetar giratorio produciría un efecto conocido como precesión Lense-Thirring; es decir, haría oscilar el disco desalineado.

Un disco oscilante podría bloquear y reflejar periódicamente la luz del magnetar, convirtiendo todo el sistema en un faro cósmico estroboscópico. El tiempo que tarda en repetirse disminuye con el radio del disco; por lo tanto, a medida que este se desliza hacia el magnetar, oscila más rápido, provocando que la luz oscile más rápidamente al desvanecerse, creando el «chirrido» observado por los telescopios terrestres.

«Probamos varias ideas, incluyendo efectos puramente newtonianos y la precesión impulsada por los campos magnéticos del magnetar, pero solo la precesión Lense-Thirring coincidió perfectamente con la sincronización», dijo Farah. «Es la primera vez que se ha necesitado la relatividad general para describir la mecánica de una supernova».

Los astrónomos también utilizaron datos observacionales para estimar el período de rotación de la estrella de neutrones (4,2 milisegundos) y el campo magnético, aproximadamente 300 billones de veces mayor que el de la Tierra. Ambos son características distintivas de un magnetar.

«Creo que Joseph ha encontrado la prueba irrefutable», dijo Howell, científico principal del LCO y profesor adjunto de física de la UCSB. «Ha vinculado las protuberancias con el modelo del magnetar y lo ha explicado todo con la teoría mejor probada en astrofísica: la relatividad general. Es increíblemente elegante».

Filippenko añadió: «Observar un efecto claro de la teoría de la relatividad general de Einstein siempre es emocionante, pero observarlo por primera vez en una supernova es especialmente gratificante».

Filippenko advirtió que la conclusión de Farah no significa que todas las supernovas superluminosas estén impulsadas por magnetares. También existe la teoría alternativa: que la onda de choque de la estrella en explosión impacta el material que la rodea, aumentando ligeramente su brillo.

Además, Kasen ha propuesto que si el colapso del núcleo de una estrella da lugar a un agujero negro, este también podría alimentar una supernova más brillante y, si tuviera un disco de acreción desalineado, producir protuberancias en la curva de luz.

«Desconocemos qué fracción de supernovas superluminosas de Tipo I podría estar alimentada por material circunestelar, pero sin duda es una fracción menor de lo que pensábamos, ya que este descubrimiento claramente explica algunas de ellas», afirmó Filippenko.

Farah espera encontrar docenas más de estas supernovas «chirriantes» a medida que el Observatorio Vera C. Rubin se prepara para entrar en funcionamiento y comenzar el estudio más completo del cielo nocturno hasta la fecha.

«Esto es lo más emocionante de lo que he tenido el privilegio de formar parte. Esta es la ciencia con la que soñaba de niño», afirmó Farah. «Es el universo diciéndonos abiertamente que aún no lo entendemos del todo, y retándonos a explicarlo».

Con información de Nature