El color compuesto del Observatorio Las Cumbres y el Telescopio Espacial Hubble de la supernova de captura de electrones 2018zd (el gran punto blanco a la derecha) y la galaxia estelar anfitriona NGC 2146 (hacia la izquierda). Crédito:NASA / STSCI / J. Depasquale; Observatorio Las Cumbres
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 masivas de ramas gigantes superasintóticas (SAGB), para lo cual también ha habido escasa evidencia. El descubrimiento, publicado en Astronomía de la naturaleza , 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 eventualmente 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 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.
Mientras que la gravedad siempre intenta aplastar una estrella, lo que evita que la mayoría de las estrellas colapsen es la fusión en curso o, en núcleos donde la fusión se ha detenido, el hecho de que no puedes empaquetar los átomos más apretados. En una supernova de captura de electrones, algunos de los electrones del núcleo de oxígeno, neón y 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. resultando en una supernova de captura de electrones.
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, tampoco es lo suficientemente pesado 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 y otros. 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 mucho antes de explotar, y esta masa cercana a la estrella moribunda debería tener una composición química inusual. Entonces la supernova de captura de electrones debería ser débil, tienen poca lluvia radiactiva, y tienen elementos ricos en neutrones en el núcleo.
Impresiones artísticas de una estrella de rama gigante súper asintótica y su núcleo compuesto de oxígeno, neón y magnesio. Este es el estado final de las estrellas alrededor de 8-10 masas solares, cuyo núcleo es la presión sostenida por electrones. Cuando el núcleo se vuelve lo suficientemente denso, el neón y el magnesio comienzan a consumir electrones, reduciendo la presión del núcleo e induciendo una explosión de supernova de colapso del núcleo. Crédito:S. Wilkinson; Observatorio Las Cumbres
El nuevo estudio está dirigido por Daichi Hiramatsu, estudiante de posgrado en UC Santa Bárbara y Observatorio Las Cumbres (LCO). Hiramatsu es un miembro central del Proyecto Global Supernova, un equipo mundial de científicos que utiliza docenas de telescopios alrededor y por encima del globo. El equipo descubrió que la supernova SN 2018zd tenía muchas características inusuales, algunos de los cuales fueron vistos 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 esta. explotó. Las observaciones fueron consistentes con otra estrella SAGB recientemente identificada en la Vía Láctea, pero inconsistente con los modelos de supergigantes rojas, los progenitores de las supernovas normales de colapso del núcleo de hierro.
Los autores examinaron todos los datos publicados sobre supernovas, y descubrió que, si bien algunos tenían algunos de los indicadores predichos para las supernovas de captura de electrones, solo SN 2018zd tenía los seis:un aparente progenitor de SAGB, fuerte pérdida de masa antes de la supernova, una composición química estelar inusual, una débil explosión, 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".
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 se podía ver durante el día durante 23 días, y de noche durante casi dos años. El remanente resultante, la nebulosa del cangrejo ha sido estudiado con gran detalle.
Esta imagen compuesta de la Nebulosa del Cangrejo se reunió mediante la combinación de datos de cinco telescopios que abarcan casi toda la amplitud del espectro electromagnético. Crédito:NASA, ESA, NRAO / AUI / NSF y G. Dubner (Universidad de Buenos Aires)
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.
Ken Nomoto de la Kavli IPMU de la Universidad de Tokio expresó su entusiasmo por la confirmación de su teoría. "Estoy muy contento de que finalmente se descubriera 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, ", dijo." Aprecio mucho los grandes esfuerzos involucrados en la obtención de estas observaciones. Este es un caso maravilloso de combinación de observaciones y teoría ".
Hiramatsu agregado, "Fue un 'momento Eureka' para todos nosotros que podemos contribuir a cerrar el ciclo teórico de 40 años, y para mí personalmente porque mi carrera en astronomía comenzó cuando miré las impresionantes imágenes del Universo en la biblioteca de la escuela secundaria, uno de los cuales fue la icónica Nebulosa del Cangrejo tomada por el Telescopio Espacial Hubble ".
"El término Rosetta Stone se usa con demasiada frecuencia como analogía cuando encontramos un nuevo objeto astrofísico, "dijo Andrew Howell, un científico de planta en el 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 algo que no entendemos completamente, la nebulosa del cangrejo con otra cosa de la que tenemos increíbles registros modernos, esta supernova. En el proceso, nos está enseñando sobre física fundamental:cómo se hacen algunas estrellas de neutrones, cómo las estrellas extremas viven y mueren, y sobre cómo los elementos de los que estamos hechos se crean y se dispersan por el universo ". Howell también es el líder del Proyecto Global Supernova, y el Ph.D. del autor principal Hiramatsu. tutor.
