Las misiones de la NASA ayudan a revelar el poder de las ondas de choque en una explosión de Nova.

Las observaciones sin precedentes de un estallido de nova en 2018 por un trío de satélites, incluidas dos misiones de la NASA, han capturado la primera evidencia directa de que la mayor parte de la luz visible de la explosión, surgió de las ondas de choque: cambios bruscos de presión y temperatura formados en los escombros de la explosión.

Una nova es un brillo repentino y de corta duración de una estrella que de otro modo sería una discreta estrella más. Ocurre cuando una corriente de hidrógeno de una estrella compañera fluye hacia la superficie de una enana blanca, una ceniza estelar compacta no mucho más grande que la Tierra. Los telescopios espaciales Fermi y NuSTAR de la NASA, junto con el satélite canadiense BRITE-Toronto y varias instalaciones terrestres, estudiaron la nova.


Los telescopios espaciales Fermi y NuSTAR de la NASA, junto con otro satélite llamado BRITE-Toronto, están proporcionando nuevas ideas sobre una explosión de nova que estalló en 2018. Las mediciones detalladas de destellos brillantes en la explosión muestran claramente que las ondas de choque alimentan la mayor parte de la luz visible de la nova.
Créditos: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA.

“Gracias a una nova especialmente brillante y un golpe de suerte, pudimos reunir las mejores observaciones visibles y de rayos gamma de una nova hasta la fecha”, dijo Elias Aydi, astrónomo de la Universidad Estatal de Michigan en East Lansing, quien dirigió un Equipo internacional de 40 instituciones. “La calidad excepcional de nuestros datos nos permitió distinguir destellos simultáneos tanto en la luz óptica como en la de rayos gamma, lo que proporciona pruebas de que las ondas de choque juegan un papel importante en el destello de algunas explosiones estelares”.

El estallido de 2018 se originó a partir de un sistema estelar más tarde denominado V906 Carinae, que se encuentra a unos 13.000 años luz de distancia en la constelación de Carina. Con el tiempo, tal vez decenas de miles de años para una llamada nova clásica como V906 Carinae, la capa de hidrógeno cada vez más profunda de la enana blanca alcanzó temperaturas y presiones críticas. Luego estalló en una reacción desbocada que expulsó todo el material acumulado.

Cada explosión de nova libera un total de 10.000 a 100.000 veces la producción de energía anual de nuestro Sol. Los astrónomos descubren alrededor de 10 novas cada año en nuestra galaxia.

Fermi detectó su primera nova en 2010 y ha observado 14 hasta la fecha. Aunque los estudios de rayos x y radio mostraron la presencia de ondas de choque en los restos de nova en las semanas posteriores a que las explosiones alcanzaron su máximo brillo, el descubrimiento de Fermi fue una sorpresa.

Los rayos gamma, la forma de luz de mayor energía, requieren procesos que aceleran las partículas subatómicas a energías extremas. Cuando estas partículas interactúan entre sí y con otra materia, producen rayos gamma. Pero los astrónomos no esperaban que las novas fueran lo suficientemente potentes como para producir el grado de aceleración requerido.

Debido a que los rayos gamma aparecen aproximadamente al mismo tiempo que el pico en la luz visible, los astrónomos concluyeron que las ondas de choque juegan un papel más fundamental en la explosión y sus consecuencias.

En 2015, un artículo dirigido por Brian Metzger en la Universidad de Columbia en Nueva York mostró cómo comparar los datos de rayos gamma de Fermi con observaciones ópticas permitiría a los científicos aprender más sobre las ondas de choque nova. En 2017, un estudio dirigido por Kwon-Lok ​​Li en el estado de Michigan descubrió que los rayos gamma y las emisiones visibles en general aumentaron y disminuyeron en una nova conocida como V5856 Sagittarii. Estas ondas de choque implícitas produjeron más luz de la erupción que la enana blanca.

Las nuevas observaciones de V906 Carinae, presentadas en un artículo dirigido por Aydi y publicado el lunes 13 de abril en Nature Astronomy, confirman espectacularmente esta conclusión.

El 20 de marzo de 2018, el All-Sky Automated Survey for Supernovae, un conjunto de dos docenas de telescopios robóticos distribuidos en todo el mundo y operados por la Universidad Estatal de Ohio, descubrió la nova. A finales de mes, V906 Carinae era apenas visible a simple vista.

Afortunadamente, un satélite llamado BRITE-Toronto ya estaba estudiando la porción de cielo de la nova. Esta nave espacial en miniatura es uno de los cinco nanosatélites cúbicos de 20 centímetros que comprende la Bright Target Explorer (BRITE)Constellation. Operados por un consorcio de universidades de Canadá, Austria y Polonia, los satélites BRITE estudian la estructura y la evolución de las estrellas brillantes y observan cómo interactúan con sus entornos.

BRITE-Toronto estaba monitoreando una estrella gigante roja llamada HD 92063, cuya imagen se superponía a la ubicación de la nova. El satélite observó a la estrella durante 16 minutos de cada órbita de 98 minutos, devolviendo alrededor de 600 mediciones cada día y capturando el brillo cambiante de la nova con detalles incomparables.

“BRITE-Toronto reveló ocho bengalas breves que se encendieron en el momento en que la nova alcanzó su pico, cada una casi duplicando el brillo de la nova”, dijo Kirill Sokolovsky del estado de Michigan. “Hemos visto indicios de este comportamiento en mediciones terrestres, pero nunca tan claramente. Por lo general, monitoreamos las novas desde el suelo con muchas menos observaciones y, a menudo, con grandes brechas, lo que tiene el efecto de ocultar cambios a corto plazo”.

Fermi, por otro lado, casi se perdió el espectáculo. Normalmente, su telescopio de área grande mapea rayos gamma en todo el cielo cada tres horas. Pero cuando apareció la nova, el equipo de Fermi estaba ocupado resolviendo el primer problema de hardware de la nave espacial en casi 10 años de operaciones orbitales: una unidad en uno de sus paneles solares dejó de moverse en una dirección. Fermi volvió al trabajo justo a tiempo para atrapar las últimas tres bengalas de la nova.

De hecho, V906 Carinae era al menos dos veces más brillante a una energía de mil millones de electrones, o GeV, como cualquier otra nova que Fermi haya observado. A modo de comparación, la energía de la luz visible varía de aproximadamente 2 a 3 electronvoltios.

“Cuando comparamos los datos de Fermi y BRITE, vemos destellos en ambos al mismo tiempo, por lo que deben compartir la misma fuente: ondas de choque en los escombros que se mueven rápidamente”, dijo Koji Mukai, astrofísico de la Universidad de Maryland, Condado de Baltimore, y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. “Cuando miramos más de cerca, hay una indicación de que los destellos en los rayos gamma pueden conducir a los destellos en lo visible. La interpretación natural es que las llamaradas de rayos gamma impulsaron los cambios ópticos”.


V906 Carinae (en un círculo) brilla cerca del brillo máximo en esta imagen tomada el 23 de marzo de 2018, tres días después de que se descubriera la nova. La hermosa nube de gas y polvo que domina la imagen es parte de la Nebulosa Carina.
Créditos: Copyright 2018 por A. Maury y J. Fabrega, utilizados con permiso.

El equipo también observó la erupción final del estallido utilizando el telescopio espacial NuSTAR de la NASA, que es solo la segunda vez que la nave detecta los rayos X durante la emisión de rayos gamma y ópticos de una nova. La salida de rayos gamma GeV de la nova superó con creces la emisión de rayos X de NuSTAR, probablemente porque la eyección de la nova absorbió la mayoría de los rayos X. La luz de alta energía de las ondas de choque fue absorbida y reradiada repetidamente a energías más bajas dentro de los escombros de la nova, en última instancia, solo escapó en longitudes de onda visibles.

Al unir todas las observaciones, Aydi y sus colegas describen lo que creen que sucedió cuando la V906 Carinae entró en erupción. Durante los primeros días del estallido, el movimiento orbital de las estrellas barrió una espesa nube de escombros hecha de múltiples capas de gas en una forma de rosquilla que parecía aproximadamente como un borde desde nuestra perspectiva. La nube se expandió a menos de aproximadamente 2,2 millones de kilómetros por hora, comparable a la velocidad promedio del viento solar que fluye del Sol.

Luego, un flujo de salida que se movió aproximadamente el doble de rápido se estrelló contra estructuras más densas dentro de la rosquilla, creando ondas de choque que emitieron rayos gamma y luz visible, incluidas las primeras cuatro llamaradas ópticas.

Finalmente, aproximadamente 20 días después de la explosión, un flujo de salida aún más rápido se estrelló contra todos los escombros más lentos a alrededor de 9 millones de kilómetros por hora. Esta colisión creó nuevas ondas de choque y otra ronda de rayos gamma y destellos ópticos. Las salidas de nova probablemente surgieron de reacciones residuales de fusión nuclear en la superficie de la enana blanca.

Los astrónomos han propuesto ondas de choque como una forma de explicar el poder irradiado por varios tipos de eventos de corta duración, como fusiones estelares, supernovas, las explosiones mucho más grandes asociadas con la destrucción de estrellas, y eventos de interrupción de las mareas que los agujeros negros trituran al pasar estrellas. Las observaciones de BRITE, Fermi y NuSTAR de V906 Carinae proporcionan un registro espectacular de dicho proceso. Otros estudios de las novas cercanas servirán como laboratorios para comprender mejor el papel que juegan las ondas de choque en otros eventos más poderosos y más distantes.

El telescopio espacial de rayos gamma Fermi es una asociación de astrofísica y física de partículas administrada por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. Fermi se desarrolló en colaboración con el Departamento de Energía de EE. UU., Con importantes contribuciones de instituciones académicas y socios en Francia, Alemania, Italia, Japón, Suecia y los Estados Unidos.

NuSTAR es una misión Small Explorer dirigida por Caltech y administrada por JPL para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington. NuSTAR fue desarrollada en asociación con la Universidad Técnica Danesa y la Agencia Espacial Italiana (ASI). La nave espacial fue construida por Orbital Sciences Corp. en Dulles, Virginia. El centro de operaciones de misión de NuSTAR está en la Universidad de California Berkeley, y el archivo de datos oficial está en el Centro de Investigación del Archivo de Ciencias de Astrofísica de Alta Energía de la NASA. ASI proporciona la estación terrestre de la misión y un archivo espejo. Caltech gestiona JPL para la NASA.