Una famosa supernova puede estar albergando una estrella de neutrones

Chandra (rayos X): NASA / CXC / Univ. di Palermo / E. Greco; Ilustración: INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo / Salvatore Orlando.

Desde que los astrónomos capturaron la brillante explosión de una estrella el 24 de febrero de 1987, los investigadores han estado buscando el núcleo estelar aplastado que debería haber quedado. Un grupo de astrónomos que utilizaron datos de misiones espaciales de la NASA y telescopios terrestres puede que finalmente lo hayan encontrado.

Como primera supernova visible a simple vista en unos 400 años, la Supernova 1987A (o SN 1987A para abreviar) provocó una gran emoción entre los científicos y pronto se convirtió en uno de los objetos más estudiados del cielo. La supernova se encuentra en la Gran Nube de Magallanes, una pequeña galaxia compañera de nuestra Vía Láctea, a solo unos 170.000 años luz de la Tierra.

Mientras los astrónomos observaban cómo los escombros explotaban desde el lugar de la detonación, también buscaban lo que debería haber quedado del núcleo de la estrella: una estrella de neutrones.

Los datos del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y los datos inéditos de la matriz de telescopios espectroscópicos nucleares de la NASA (NuSTAR), en combinación con los datos de Atacama Large Millimeter Array (ALMA) con base en tierra obtenidos el año pasado, ahora presentan una serie de pruebas de la presencia de la estrella de neutrones en el centro de SN 1987A.

“Durante 34 años, los astrónomos han estado examinando los escombros estelares de SN 1987A para encontrar la estrella de neutrones que esperamos que esté allí”, dijo el líder del estudio, Emanuele Greco, de la Universidad de Palermo en Italia. “Ha habido muchos indicios que han resultado ser callejones sin salida, pero creemos que nuestros últimos resultados podrían ser diferentes”.

Cuando una estrella explota, se colapsa sobre sí misma antes de que las capas exteriores sean lanzadas al espacio. La compresión del núcleo lo convierte en un objeto extraordinariamente denso, con la masa del Sol comprimida en un objeto de solo unos 15 kilómetros de diámetro. Estos objetos se han denominado estrellas de neutrones porque están formados casi exclusivamente por neutrones densamente empaquetados. Son laboratorios de física extrema que no se pueden reproducir aquí en la Tierra.

Las estrellas de neutrones de rotación rápida y altamente magnetizadas, llamadas púlsares, producen un haz de radiación similar a un faro, que los astrónomos detectan como pulsos cuando su rotación está ordenada de tal forma que su destello es observable en nuestro firmamento. Hay un subconjunto de púlsares que producen vientos desde sus superficies, a veces casi a la velocidad de la luz, que crean intrincadas estructuras de partículas cargadas y campos magnéticos conocidos como “nebulosas de viento de púlsar”.

Con Chandra y NuSTAR, el equipo encontró rayos X de relativamente baja energía de los escombros de SN 1987A chocando contra el material circundante. El equipo también encontró muestras de partículas de alta energía utilizando la capacidad de NuSTAR para detectar rayos X más energéticos.

Hay dos posibles explicaciones para esta energética emisión de rayos X: una nebulosa de viento de un púlsar o partículas que se aceleran a altas energías por la onda expansiva de la explosión. El último efecto no requiere la presencia de un púlsar y ocurre a distancias mucho mayores desde el núcleo de la explosión.

El último estudio de rayos X respalda el caso de la nebulosa de viento de púlsar, (lo que significa que la estrella de neutrones debe estar allí) . El brillo de los rayos X de mayor energía se mantuvo casi igual entre 2012 y 2014, mientras que la emisión de radio detectada con el Australia Telescope Compact Array aumentó. Esto va en contra de las expectativas para el escenario de la onda expansiva. A continuación, los autores estiman que se necesitarían casi 400 años para acelerar los electrones hasta las energías más altas observadas en los datos de NuSTAR, que es más de 10 veces mayor que la edad del remanente.

“Los astrónomos se han preguntado si no ha pasado suficiente tiempo para que se forme un púlsar, o incluso si SN 1987A creó un agujero negro”, dijo el coautor Marco Miceli, también de la Universidad de Palermo. “Este ha sido un misterio continuo durante algunas décadas y estamos muy emocionados de traer nueva información a la mesa con este resultado”.

Los datos de Chandra y NuSTAR también respaldan un resultado de 2020 de ALMA, que proporcionó una posible evidencia de la estructura de una nebulosa de viento de púlsar en la banda milimétrica de longitud de onda. Si bien esta “mancha” tiene otras posibles explicaciones, su identificación como una nebulosa de viento de púlsar podría fundamentarse con los nuevos datos de rayos X. Esta es la mayor evidencia que apoya la idea de que en el núcleo queda una estrella de neutrones.

Si se trata de un púlsar en el centro de SN 1987A, sería el más joven jamás encontrado.

“Ser capaz de observar un púlsar esencialmente desde su nacimiento no tendría precedentes”, dijo el coautor Salvatore Orlando del Observatorio Astronómico de Palermo, un centro de investigación del Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) en Italia. “Podría ser una oportunidad única en la vida para estudiar el desarrollo de un púlsar bebé”.

El centro de SN 1987A está rodeado de gas y polvo. Los autores utilizaron simulaciones de última generación para comprender cómo este material absorbería los rayos X a diferentes energías, lo que permitiría una interpretación más precisa del espectro de rayos X, es decir, la cantidad de rayos X a diferentes energías. Esto les permite estimar cuál es el espectro de las regiones centrales de SN 1987A sin el material que lo difumina.

Como suele ocurrir, se necesitan más datos para fortalecer el caso de la nebulosa de viento de púlsar. Un aumento de las ondas de radio acompañado de un aumento de los rayos X de energía relativamente alta en las observaciones futuras, argumentaría en contra de esta idea. Por otro lado, si los astrónomos observan una disminución en los rayos X de alta energía, entonces se corroboraría la presencia de una nebulosa de viento de púlsar.

Los escombros estelares que rodean al púlsar juegan un papel importante al absorber en gran medida su emisión de rayos X de menor energía, lo que lo hace indetectable en la actualidad. El modelo predice que este material se dispersará en los próximos años, lo que reducirá su poder absorbente. Por lo tanto, se espera que la emisión del púlsar emerja en unos 10 años, revelando la existencia de la estrella de neutrones.

Esta semana se publicará un artículo que describe estos resultados en The Astrophysical Journal y hay una versión preliminar disponible online. Los otros autores del trabajo son Barbara Olmi y Fabrizio Bocchino, también de INAF-Palermo; Shigehiro Nagataki y Masaomi Ono del Laboratorio Astrophysical Big Bang, RIKEN en Japón; Akira Dohi de la Universidad de Kyushu en Japón y Giovanni Peres de la Universidad de Palermo.

El Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA administra el programa Chandra. El Centro de Rayos X Chandra del Observatorio Astrofísico Smithsoniano controla la ciencia desde Cambridge Massachusetts y las operaciones de vuelo desde Burlington, Massachusetts.

NuSTAR es una misión Small Explorer dirigida por Caltech y administrada por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA para la Dirección de Misiones Científicas de la agencia en Washington. NuSTAR fue desarrollado en asociación con la Universidad Técnica Danesa y la Agencia Espacial Italiana (ASI). La nave espacial fue construida por Orbital Sciences Corporation en Dulles, Virginia (ahora parte de Northrop Grumman). El centro de operaciones de la misión de NuSTAR está en UC Berkeley, y el archivo de datos oficial está en el Centro de Investigación del Archivo Científico de Astrofísica de Alta Energía de la NASA. ASI proporciona la estación terrestre de la misión y un archivo espejo. JPL es una división de Caltech.