ALMA encuentra indicios de estrella de neutrones en Supernova 1987A

30 julio, 2020

Artículo Científico

Dos equipos de astrónomos han dado un gran paso para desvelar el misterio de la Supernova 1987A, que intriga a los científicos hace 33 años. A partir de observaciones realizadas por el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y un estudio teórico subsiguiente, lo científicos aportaron nuevos datos que respaldan la teoría de que, en las profundidades del material remanente de la estrella que explotó, se esconde ahora una estrella de neutrones. De ser cierto, se trataría de la estrella de neutrones más joven observada a la fecha.

Desde que fueron testigos del nacimiento de Supernova 1987A (SN 1987A) a partir de una de las explosiones estelares más brillantes del cielo nocturno, los astrónomos han buscado sin tregua indicios de un objeto compacto que debería haberse formado en los remanentes de la explosión.

Al haber detectado partículas conocidas como neutrinos en la Tierra el día de la explosión (el 23 de febrero de 1987), los científicos pensaban que se había formado una estrella de neutrones en el centro colapsado de la estrella. No obstante, como no encontraron más indicios que probara la existencia de dicha estrella, empezaron a preguntarse si no habría terminado colapsando y formando un agujero negro. Así, los científicos llevaban décadas esperando una señal de este objeto oculto detrás de una espesa nube de polvo.

La “mancha” 
Hace poco, gracias a observaciones realizadas con el radiotelescopio ALMA, se obtuvieron los primeros indicios de la existencia de la estrella de neutrones tras la explosión. Las imágenes en resolución extremadamente alta de ALMA revelaron una “mancha” caliente en el polvoriento núcleo de SN 1987A. Esa mancha es más caliente que su entorno y coincide con la supuesta ubicación de la estrella de neutrones.

“Nos sorprendió bastante descubrir esta mancha caliente compuesta por una densa nube de polvo en el remanente de supernova”, reconoce Mikako Matsuura, astrónoma de la Universidad de Cardiff que integra el equipo de científicos que descubrió la mancha usando ALMA. “Debe haber algo en la nube que ha calentado el polvo y lo ha hecho brillar. Por eso creemos que hay una estrella de neutrones oculta dentro de la nube de polvo”.

Aunque la astrónoma y su equipo celebraron el hallazgo, el intenso brillo de la mancha parecía ser un misterio. “Creíamos que era demasiado brillante para ser una estrella de neutrones, pero luego Dany Page y su equipo publicaron un estudio que postula que las estrellas de neutrones pueden ser así de brillantes debido a que son muy jóvenes”, explica.

Dany Page es un astrofísico de la Universidad Nacional Autónoma de México que ha estudiado SN 1987A desde el principio. “Yo estaba en pleno doctorado cuando se produjo la supernova. Fue uno de los acontecimientos más importantes de mi vida, y me hizo cambiar el rumbo de mi carrera para tratar de desvelar el misterio”, cuenta. “Es una versión moderna del Santo Grial”.

El estudio teórico de Page y su equipo, publicado en The Astrophysical Journal, avala la tesis defendida por el equipo de ALMA, según la cual la mancha de polvo brilla por influencia de la estrella de neutrones. “Pese a la gran complejidad de las explosiones de supernova y las condiciones extremas que reinan al interior de las estrellas de neutrones, la existencia de una mancha de polvo caliente confirma varias predicciones”, explica Dany Page. 

Entre ellas, se encuentra la ubicación y la temperatura de la estrella de neutrones. De acuerdo con modelos informáticos de supernovas, la explosión “expulsó” la estrella de neutrones de su lugar de nacimiento a una velocidad de cientos de kilómetros por segundo (decenas de veces más rápido que el cohete más veloz fabricado a la fecha por los humanos). Y la mancha se encuentra exactamente donde los astrónomos predijeron que habría una estrella de neutrones hoy. En tanto, la temperatura de dicha estrella, que según las predicciones tendría cerca de 5 millones de grados Celsius, proporciona la energía suficiente para iluminar la mancha como se ve hoy.

No es un púlsar ni un agujero negro 
Al contrario de lo que muchos esperaban, la estrella de neutrones probablemente no sea un púlsar. “La energía de un púlsar depende de cuán rápido gira y de la intensidad de su campo magnético, y estos dos factores tendrían que arrojar valores muy específicos para coincidir con las observaciones. En tanto, la energía térmica emitida por la superficie caliente de una joven estrella de neutrones coincide a la perfección con los datos obtenidos”, explica Dany Page. 

“La estrella de neutrones se comporta exactamente como esperábamos”, agrega James Lattimer, de la Universidad Stony Brook, de Nueva York, quien forma parte del equipo de investigación de Dany Page. James Lattimer también ha seguido SN 1987A de cerca, y antes de que esta surgiera ya había publicado predicciones acerca de la señal de neutrinos emanada de las supernovas que, ulteriormente, coincidieron con las observaciones. “Esos neutrinos son un indicio de que nunca se formó un agujero negro. Por lo demás, la presencia de un agujero negro difícilmente explicaría el brillo de la mancha que se ha observado. Comparamos todas las posibilidades y llegamos a la conclusión de que la explicación más plausible era la existencia de una estrella de neutrones caliente”. 

Esta estrella de neutrones consistiría en una bola de materia ultradensa y extremadamente caliente de 25 km de diámetro. Una cucharada de ese material pesaría más que todos los edificios de Nueva York juntos. Y al tener solo 33 años, sería la estrella de neutrones más joven que se haya observado. La segunda estrella de neutrones más joven que conocemos se encuentra en el remanente de supernova Cassiopeia A, y tiene 330 años.

Solo una imagen directa de la estrella de neutrones demostraría definitivamente su existencia, pero para eso los astrónomos tienen que esperar algunos decenios más hasta que el polvo y el gas del remanente de supernova se despeje un poco.

Imágenes detalladas de ALMA 
Aunque muchos telescopios han obtenido imágenes de SN 1987A, ninguno de ellos ha logrado observar su núcleo con tanta precisión como ALMA. Las observaciones realizadas anteriormente con ALMA en 3D ya habían revelado los tipos de moléculas encontrados en el remanente de supernova y habían confirmado que producían grandes cantidades de polvo.

“Este hallazgo es el resultado de años de observaciones realizadas con ALMA que muestran el núcleo de la supernova con niveles de detalle cada vez mayores gracias a las mejoras continuas hechas al telescopio y el procesamiento de datos”, señala Remy Indebetouw, del Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos y la Universidad de Virginia, quien ha integrado el equipo de producción de imágenes de ALMA.

Información adicional

Esta investigación se presentó en dos artículos.

  • Observación de la “mancha” con ALMA: “ “High Angular Resolution ALMA Images of Dust and Molecules in the SN 1987A Ejecta” (‘Imágenes de alta resolución angular de polvo y moléculas de material eyectado de SN 1987A obtenidas con ALMA’), de P. Cigan et al., The Astrophysical Journalhttps://doi.org/10.3847/1538-4357/ab4b46
  • Estudio teórico que avala la presencia de una estrella de neutrones: “NS 1987A in SN 1987A”, de D. Page et al., The Astrophysical Journalhttps://doi.org/10.3847/1538-4357/ab93c2

El comunicado de prensa original fue publicado por el Observatorio Radioastronómico Nacional de los Estados Unidos (NRAO), socio de ALMA en nombre de América del Norte.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

Imágenes

Esta representación artística de Supernova 1987A muestra el interior polvoriento del remanente de la estrella que explotó (en rojo), donde podría ocultarse una estrella de neutrones. Esta zona interna contrasta con la capa superficial (en azul), donde la energía de la supernova entra en colisión (en verde) con el envoltorio de gas eyectado de la estrella antes de su poderosa detonación. Créditos: NRAO/AUI/NSF, B. Saxton
Esta representación artística de Supernova 1987A muestra el interior polvoriento del remanente de la estrella que explotó (en rojo), donde podría ocultarse una estrella de neutrones. Esta zona interna contrasta con la capa superficial (en azul), donde la energía de la supernova entra en colisión (en verde) con el envoltorio de gas eyectado de la estrella antes de su poderosa detonación. Créditos: NRAO/AUI/NSF, B. Saxton
Las imágenes en resolución extremadamente alta de ALMA revelaron una “mancha” caliente en el polvoriento núcleo de Supernova 1987A. En rojo se muestra el gas frío presente en el centro del remanente de supernova observado en longitudes de onda de radio por ALMA. En verde y azul se muestra la onda de choque en expansión generada por la explosión que entra en colisión con un anillo de material presente alrededor de la supernova. El color verde representa el brillo de la luz visible capturada por el telescopio espacial Hubble, de la NASA. El azul revela la presencia de gas más caliente según los datos obtenidos por el Observatorio Chandra de Rayos X, de la NASA. Al principio el anillo empezó a brillar por efecto del destello de luz emanado de la explosión original. En los años posteriores, el material del anillo aumentó considerablemente su brillo al recibir el golpe de la onda de choque. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), P. Cigan y R. Indebetouw; NRAO/AUI/NSF, B. Saxton; NASA/ESA
Las imágenes en resolución extremadamente alta de ALMA revelaron una “mancha” caliente en el polvoriento núcleo de Supernova 1987A. En rojo se muestra el gas frío presente en el centro del remanente de supernova observado en longitudes de onda de radio por ALMA. En verde y azul se muestra la onda de choque en expansión generada por la explosión que entra en colisión con un anillo de material presente alrededor de la supernova. El color verde representa el brillo de la luz visible capturada por el telescopio espacial Hubble, de la NASA. El azul revela la presencia de gas más caliente según los datos obtenidos por el Observatorio Chandra de Rayos X, de la NASA. Al principio el anillo empezó a brillar por efecto del destello de luz emanado de la explosión original. En los años posteriores, el material del anillo aumentó considerablemente su brillo al recibir el golpe de la onda de choque. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), P. Cigan y R. Indebetouw; NRAO/AUI/NSF, B. Saxton; NASA/ESA
Multiwavelength image of SN1987A - This colorful, multiwavelength image of the intricate remains of Supernova 1987A is produced with data from three different observatories. The red color shows dust and cold gas in the center of the supernova remnant, taken at radio wavelengths with ALMA. The green and blue hues reveal where the expanding shock wave from the exploded star is colliding with a ring of material around the supernova. The green represents the glow of visible light, captured by NASA's Hubble Space Telescope. The blue color reveals the hottest gas and is based on data from NASA's Chandra X-ray Observatory. The ring was initially made to glow by the flash of light from the original explosion. Over subsequent years the ring material has brightened considerably as the explosion's shock wave slams into it. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), P. Cigan and R. Indebetouw; NRAO/AUI/NSF, B. Saxton; NASA/ESA
Imagen de SN1987A en longitudes de onda múltiples – Esta colorida imagen de los complejos restos de la supernova 1987A, obtenida en múltiples longitudes de onda, se generó a partir de datos de tres observatorios diferentes. En rojo se muestra el gas frío presente en el centro del remanente de supernova observado en longitudes de onda de radio por ALMA. En verde y azul se muestra la onda de choque en expansión generada por la explosión que entra en colisión con un anillo de material presente alrededor de la supernova. El color verde representa el brillo de la luz visible capturada por el telescopio espacial Hubble, de la NASA. El azul revela la presencia de gas más caliente según los datos obtenidos por el Observatorio Chandra de Rayos X, de la NASA. Al principio el anillo empezó a brillar por efecto del destello de luz emanado de la explosión original. En los años posteriores, el material del anillo aumentó considerablemente su brillo al recibir el golpe de la onda de choque. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), P. Cigan y R. Indebetouw; NRAO/AUI/NSF, B. Saxton; NASA/ESA
La Supernova 1987A se encuentra a 163.000años luz en el cielo austral, en la Gran Nube de Magallanes, una galaxia satélite a la Vía Láctea. Crédito: NRAO/AUI/NSF, IAU, Sky & Telescope
La Supernova 1987A se encuentra a 163.000 años luz en el cielo austral, en la Gran Nube de Magallanes, una galaxia satélite a la Vía Láctea. Crédito: NRAO/AUI/NSF, IAU, Sky & Telescope

Video

Video de acercamiento al núcleo polvoriento de Supernova 1987A que muestra la “mancha” caliente observada por ALMA, donde podría ubicarse la estrella de neutrones. En rojo se muestra el gas frío presente en el centro del remanente de supernova observado en longitudes de onda de radio por ALMA. En verde y azul se muestra la onda de choque en expansión generada por la explosión que entra en colisión con un anillo de material presente alrededor de la supernova. El color verde representa el brillo de la luz visible capturada por el telescopio espacial Hubble, de la NASA. El azul revela la presencia de gas más caliente según los datos obtenidos por el Observatorio Chandra de Rayos X, de la NASA. Al principio el anillo empezó a brillar por efecto del destello de luz emanado de la explosión original. En los años posteriores, el material del anillo aumentó considerablemente su brillo al recibir el golpe de la onda de choque. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), P. Cigan y R. Indebetouw; NRAO/AUI/NSF, B. Saxton; NASA/ESA

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