Descubren un tipo de supernova que explica el misterio de la Nebulosa del Cangrejo

Un equipo mundial dirigido por científicos de la UC Santa Bárbara en el Observatorio Las Cumbres ha descubierto la primera evidencia convincente de un nuevo tipo de explosión estelar: una supernova de captura de electrones. Si bien se han teorizado durante 40 años, los ejemplos del mundo real han sido esquivos. Se cree que surgen de las explosiones de estrellas de ramas gigantes superasintóticas (SAGB), de las que también hay poca evidencia. El descubrimiento, publicado este lunes en la revista Nature Astronomy, también arroja nueva luz sobre el misterio milenario de la supernova de 1054 d.C. que era visible en todo el mundo durante el día, antes de convertirse finalmente en la Nebulosa del Cangrejo.

Históricamente, las supernovas se han dividido en dos tipos principales: colapso termonuclear y de núcleo de hierro. Una supernova termonuclear es la explosión de una estrella enana blanca después de ganar materia en un sistema estelar binario. Estas enanas blancas son los densos núcleos de ceniza que quedan después de que una estrella de baja masa (una hasta aproximadamente 8 veces la masa del sol) llega al final de su vida. Una supernova de colapso del núcleo de hierro ocurre cuando una estrella masiva, una de más de aproximadamente 10 veces la masa del sol, se queda sin combustible nuclear y su núcleo de hierro colapsa, creando un agujero negro o una estrella de neutrones. Entre estos dos tipos principales de supernovas se encuentran las supernovas de captura de electrones. Estas estrellas detienen la fusión cuando sus núcleos están hechos de oxígeno, neón y magnesio; no son lo suficientemente masivas para crear hierro.

Si bien la gravedad siempre está tratando de aplastar una estrella, lo que evita que la mayoría de las estrellas colapsen es la fusión en curso o, en los núcleos donde la fusión se ha detenido, el hecho de que no se pueden apretar más los átomos. En una supernova de captura de electrones, algunos de los electrones en el núcleo de oxígeno-neón-magnesio se estrellan contra sus núcleos atómicos en un proceso llamado captura de electrones. Esta eliminación de electrones hace que el núcleo de la estrella se doble por su propio peso y colapse, lo que resulta en una supernova de captura de electrones.

Una supernova especial

Si la estrella hubiera sido un poco más pesada, los elementos centrales podrían haberse fusionado para crear elementos más pesados, prolongando su vida. Así que es una especie de situación de Ricitos de Oro al revés: la estrella no es lo suficientemente liviana para escapar del colapso de su núcleo, ni es lo suficientemente pesada como para prolongar su vida y morir más tarde por diferentes medios.

Esa es la teoría que fue formulada a partir de 1980 por Ken'ichi Nomoto de la Universidad de Tokio

Esa es la teoría que fue formulada a partir de 1980 por Ken'ichi Nomoto de la Universidad de Tokio y otros. A lo largo de las décadas, los teóricos han formulado predicciones sobre qué buscar en una supernova de captura de electrones y sus progenitores estelares SAGB. Las estrellas deberían tener mucha masa, perder mucha de ella antes de explotar, y esta masa cerca de la estrella moribunda debería tener una composición química inusual. Entonces, la supernova de captura de electrones debería ser débil, tener poca lluvia radiactiva y tener elementos ricos en neutrones en el núcleo.

Características inusuales

El nuevo estudio está dirigido por Daichi Hiramatsu, un estudiante de posgrado de la UC Santa Bárbara y el Observatorio Las Cumbres (LCO). Hiramatsu es un miembro central del Global Supernova Project, un equipo mundial de científicos que usa docenas de telescopios alrededor y por encima del globo. El equipo descubrió que la supernova SN 2018zd tenía muchas características inusuales, algunas de las cuales se vieron por primera vez en una supernova.

Ayudó que la supernova estuviera relativamente cerca, a solo 31 millones de años luz de distancia, en la galaxia NGC 2146. Esto permitió al equipo examinar imágenes de archivo tomadas por el Telescopio Espacial Hubble antes de la explosión y detectar la probable estrella progenitora. antes de que explotara. Las observaciones fueron consistentes con otra estrella SAGB recientemente identificada en la Vía Láctea, pero inconsistentes con los modelos de supergigantes rojas, los progenitores de las supernovas normales de colapso del núcleo de hierro.

"Empezamos preguntando '¿qué es este bicho raro?’", explican los autores 

Los autores examinaron todos los datos publicados sobre supernovas y encontraron que, si bien algunos tenían algunos de los indicadores predichos para las supernovas de captura de electrones, solo SN 2018zd tenía los seis: un progenitor SAGB aparente, una fuerte pérdida de masa antes de la supernova, una estelar inusual composición química, una explosión débil, poca radiactividad y un núcleo rico en neutrones.

"Empezamos preguntando '¿qué es este bicho raro?'", Dijo Hiramatsu. "Luego examinamos todos los aspectos de SN 2018zd y nos dimos cuenta de que todos pueden explicarse en el escenario de captura de electrones".

El misterio del Cangrejo

Los nuevos descubrimientos también iluminan algunos misterios de la supernova más famosa del pasado. En 1054 d.C., ocurrió una supernova en la Vía Láctea que, según los registros chinos y japoneses, era tan brillante que podía verse durante el día durante 23 días y durante la noche durante casi dos años. El remanente resultante, la Nebulosa del Cangrejo, se ha estudiado con gran detalle.

La Nebulosa del Cangrejo era anteriormente el mejor candidato para una supernova de captura de electrones, pero su estado era incierto en parte porque la explosión ocurrió hace casi mil años. El nuevo resultado aumenta la confianza de que el histórico SN 1054 fue una supernova de captura de electrones. También explica por qué esa supernova era relativamente brillante en comparación con los modelos: su luminosidad probablemente fue mejorada artificialmente por la eyección de la supernova que colisionó con el material desprendido por la estrella progenitora, como se vio en SN 2018zd.

"Estoy muy contento de que finalmente se haya descubierto la supernova de captura de electrones, que mis colegas y yo predijimos que existía y tenía una conexión con la Nebulosa del Cangrejo hace 40 años”, asegura Ken Nomoto. "Aprecio mucho los grandes esfuerzos involucrados en la obtención de estas observaciones. Este es un caso maravilloso de combinación de observaciones y teoría”. "Fue un 'momento Eureka' para todos nosotros que podemos contribuir a cerrar el ciclo teórico de 40 años”, añade Hiramatsu, "y para mí personalmente porque mi carrera en astronomía comenzó cuando miré las impresionantes imágenes de la Universo en la biblioteca de la escuela secundaria, uno de los cuales fue la icónica Nebulosa del Cangrejo tomada por el Telescopio Espacial Hubble ".

“Esta supernova nos está ayudando literalmente a decodificar registros milenarios de culturas de todo el mundo”

"El término Rosetta Stone se usa con demasiada frecuencia como una analogía cuando encontramos un nuevo objeto astrofísico", afirma Andrew Howell, científico del personal del Observatorio Las Cumbres y profesor adjunto en UCSB, "pero en este caso creo que es apropiado. Esta supernova nos está ayudando literalmente a decodificar registros milenarios de culturas de todo el mundo. Y nos está ayudando a asociar una cosa que no entendemos completamente, la Nebulosa del Cangrejo, con otra cosa de la que tenemos registros modernos increíbles, que es esta supernova. En el proceso, nos está enseñando sobre física fundamental: cómo se forman algunas estrellas de neutrones, cómo viven y mueren las estrellas extremas, y cómo los elementos de los que estamos hechos se crean y se dispersan por el universo ". 

Referencia: The electron-capture origin of supernova 2018zd (Nature Astronomy)