Descubren cómo las supernovas iluminan el cosmos y crean nuevos mundos

Las supernovas son eventos cósmicos de gran magnitud que no solo iluminan el cielo, sino que también desempeñan un papel crucial en la formación de nuevos elementos y cuerpos celestes. Estas explosiones, que pueden ser visibles durante meses, crean elementos pesados que se dispersan en el espacio, donde pueden ser incorporados en futuras generaciones de estrellas y planetas.

Además, las ondas de choque generadas por estas explosiones comprimen el gas circundante, lo que puede desencadenar la formación de nuevas estrellas. Cada vez que se forma una nueva estrella, el universo lanza los dados, y si la suerte acompaña, podría surgir un planeta con potencial para albergar vida. Por esta razón, los astrofísicos están tan interesados en las explosiones de supernovas.

Las explosiones de supernovas son procesos complejos. Las estrellas se encuentran en un delicado equilibrio entre la fuerza de radiación que las empuja hacia afuera y la gravedad que las atrae hacia adentro. Este equilibrio puede mantenerse durante miles de millones de años, como en el caso de nuestro sol. Sin embargo, a medida que las estrellas fusionan hidrógeno en helio, pierden masa de manera gradual.

Esta pérdida de masa genera inestabilidad. Las estrellas envejecidas experimentan pulsaciones, liberando ondas de material que crean un medio circumestelar (CSM) a su alrededor. A medida que la estrella se convulsiona, emite más material en forma de capas. Finalmente, cuando la estrella ya no puede sostenerse, ocurre una explosión en la que colapsa sobre sí misma.

La explosión final libera una poderosa onda de choque que impacta en el CSM. Modelar los vientos estelares en esta explosión ha resultado ser un desafío. Sin embargo, es fundamental hacerlo correctamente, ya que gran parte de la señal de luz de una supernova se genera por la interacción entre el CSM y el viento.

Los astrofísicos han trabajado arduamente para modelar estos vientos, y los modelos anteriores los mostraron como una fuerza constante y suave. No obstante, las observaciones no siempre respaldaron esta idea. Una nueva investigación ha modelado estos vientos con mayor complejidad, considerando cómo impactan en el CSM. Los resultados de este modelado podrían ofrecer una nueva forma de observar y estudiar las explosiones de supernovas.

El estudio, titulado "Supernovas interactivas y dónde encontrarlas", será publicado en la revista Astronomía y Astrofísica y actualmente está disponible en el servidor de preprints arXiv. El autor principal es Robert Brose, del Instituto de Física y Astronomía de la Universidad de Potsdam, Alemania.

Los investigadores señalaron que "la interacción temprana de las ondas de choque de supernovas con el material circumestelar tiene el potencial de acelerar partículas a energías de PeV, aunque esto aún no se ha detectado". PeV se refiere a Peta-electrón voltios, el rango de los rayos gamma. "Los modelos actuales para esta interacción asumen que la onda de choque se expande en un viento estelar suave y en expansión libre, aunque las observaciones multibanda de muchas supernovas no respaldan esta suposición".

Brose y sus colegas ampliaron el trabajo de investigadores anteriores al modelar las ondas de choque que impactan en el CSM con perfiles de densidad más complejos, en lugar de un CSM más suave y sin características. Incluyeron capas densas y multicapa de CSM a diferentes distancias de la estrella progenitora de la supernova.

"Nuestro objetivo es predecir las firmas de rayos gamma y multibanda de la interacción circumestelar", explicaron.

Los hallazgos sugieren que la interacción entre el viento y el CSM puede generar un aumento significativo en la producción de rayos gamma de un remanente de supernova. Esta producción elevada de rayos gamma puede persistir durante un largo período, y su pico puede aparecer años después de la explosión. Para algunos tipos de remanentes de supernova, como los de tipo IIP y IIn, la luminosidad puede superar la de los vientos estelares suaves por varios órdenes de magnitud.

Los investigadores examinaron las complejas firmas de luz multibanda que se pueden esperar de las supernovas a medida que sus ondas de choque impactan en el CSM. Consideraron la luz desde radio, óptica y rayos X. Sin embargo, el resultado crítico se refiere a los rayos gamma, que provienen de los procesos más energéticos en una supernova. Diferentes isótopos creados en la onda de choque generan rayos gamma con diferentes huellas dactilares, lo que puede explicar qué reacciones están ocurriendo.

Este trabajo muestra que los rayos gamma pueden alcanzar picos mucho más tarde de lo que se pensaba. Los investigadores proponen estrategias de observación que pueden encontrar estas supernovas mediante encuestas ópticas de alta cadencia y monitoreo continuo en radio y longitudes de onda milimétricas. De esta manera, pueden identificar objetivos prometedores para observaciones de seguimiento con observatorios de rayos gamma.