Astrónomos observan por primera vez el nacimiento de un magnetar

Por primera vez, astrónomos observaron el nacimiento de un magnetar, un tipo de estrella de neutrones extremadamente magnética y de rápida rotación. Este descubrimiento confirma que estos objetos exóticos pueden ser responsables de algunas de las explosiones estelares más brillantes jamás vistas.

El hallazgo valida una teoría propuesta hace 16 años por un físico de la Universidad de California - Berkeley y revela una característica recién reconocida en ciertas estrellas en explosión: un distintivo "chirp" en su luz que solo puede ser explicado mediante la teoría de la relatividad general de Einstein. La investigación fue publicada en la revista Nature.

El misterio detrás de las supernovas más brillantes

Las supernovas superluminiscentes son algunas de las explosiones más espectaculares del universo, brillando 10 veces o más que las supernovas ordinarias. Desde que los astrónomos las identificaron por primera vez a principios de los 2000, han luchado por explicar por qué estas explosiones permanecen intensamente brillantes mucho después de que el núcleo de una estrella masiva colapsa y lanza sus capas exteriores al espacio.

En 2010, el astrofísico teórico de UC Berkeley, Dan Kasen, propuso que la respuesta podría ser un magnetar recién nacido. Su teoría, coautorizada por Lars Bildsten y sugerida de manera independiente por Stan Woosley de UC Santa Cruz, argumentaba que cuando una estrella enorme llega al final de su vida, su núcleo puede colapsar en una estrella de neutrones increíblemente densa en lugar de convertirse en un agujero negro.

Si esa estrella original poseía un campo magnético poderoso, el colapso lo amplificaría dramáticamente, produciendo un magnetar con un campo magnético de 100 a 1,000 veces más fuerte que el de un pulsar típico. Aunque tanto los pulsars como los magnetars miden solo alrededor de 10 millas de ancho, los magnetars jóvenes pueden girar más de 1,000 veces por segundo.

A medida que giran, sus poderosos campos magnéticos aceleran partículas cargadas que chocan con los escombros en expansión de la supernova, inyectando energía adicional que mantiene la explosión brillando mucho más tiempo del esperado. Se cree que los magnetars también generan misteriosos estallidos de radio rápidos.

Una supernova "chirpante" revela la verdad

El estudiante de posgrado Joseph Farah de UC Santa Bárbara y el Observatorio Las Cumbres (LCO) encontraron la evidencia más sólida hasta ahora para esta teoría tras estudiar una supernova descubierta en 2024, conocida como SN 2024afav. Farah, quien se unirá al grupo de investigación de Kasen en UC Berkeley este otoño como becario postdoctoral Miller, y sus colegas concluyeron que los inusuales picos en la curva de luz de la supernova proporcionan evidencia directa de que se formó un magnetar durante la explosión.

"Lo que realmente emociona es que esta es una evidencia definitiva de que un magnetar se formó como resultado del colapso del núcleo de una supernova superluminiscente", dijo Alex Filippenko, profesor distinguido de astronomía en UC Berkeley, coautor del estudio y uno de los futuros mentores de Farah.

"La base del modelo de Dan Kasen y Stan Woosley es que todo lo que necesitas es la energía del magnetar en el fondo y una buena fracción de ella será absorbida, y eso explicará por qué la cosa es superluminiscente. Lo que no se había demostrado era que un magnetar de hecho se formó en medio de la supernova, y eso es lo que muestra el trabajo de Joseph".

Kasen mencionó que los investigadores habían sospechado durante mucho tiempo que un magnetar oculto estaba impulsando estas explosiones extraordinarias.

"Durante años, la idea del magnetar ha parecido casi como un truco de magia de teóricos: esconder un motor poderoso detrás de capas de escombros de supernova. Era una explicación natural para el brillo extraordinario de estas explosiones, pero no podíamos verlo directamente", afirmó. "El chirp en esta señal de supernova es como ese motor levantando el telón y revelando que realmente está allí".

Rastreando una explosión a mil millones de años luz

Después de que SN 2024afav fue descubierta en diciembre de 2024, el Observatorio Las Cumbres, una red mundial de 27 telescopios, monitoreó la explosión durante más de 200 días. La supernova ocurrió a aproximadamente mil millones de años luz de la Tierra.

Farah y el astrónomo de UCSB Andy Howell notaron algo inusual después de que la supernova alcanzó su brillo máximo aproximadamente 50 días después de la explosión. En lugar de desvanecerse suavemente, como la mayoría de las supernovas, su brillo subió y bajó repetidamente. Los intervalos entre estas fluctuaciones se hicieron progresivamente más cortos, creando cuatro picos distintos en la curva de luz.

Farah comparó el patrón con el tono ascendente del chirp de un pájaro.

Supernovas superluminiscentes anteriores habían mostrado ocasionalmente uno o dos picos, a menudo explicados como ondas de choque colisionando con capas de gas que rodean a la estrella moribunda. Pero ningún evento anterior mostró cuatro.

La relatividad general de Einstein explica la señal

El modelo de Farah sugiere que parte del material lanzado hacia afuera por la explosión luego cayó de nuevo hacia el magnetar recién nacido, formando un disco de acreción.

Debido a que este disco probablemente estaba inclinado en relación con la rotación del magnetar, la teoría de Einstein predice que la estrella de neutrones giratoria rápidamente arrastraría el tejido del espacio-tiempo a su alrededor, produciendo un fenómeno llamado precesión de Lense-Thirring. Este efecto hace que el disco inclinado se tambalee.

A medida que el disco oscilante bloquea y refleja periódicamente la luz del magnetar, el sistema se comporta como un faro cósmico intermitente. Con el tiempo, el disco espiraliza hacia adentro, haciendo que el tambaleo se acelere. Eso hace que los pulsos de luz lleguen más rápido, produciendo el distintivo "chirp" detectado por los astrónomos.

"Probamos varias ideas, incluidos efectos puramente newtonianos y precesión impulsada por los campos magnéticos del magnetar, pero solo la precesión de Lense-Thirring coincidió perfectamente con el tiempo", dijo Farah. "Es la primera vez que se necesita la relatividad general para describir la mecánica de una supernova".

El equipo también estimó que la estrella de neutrones gira una vez cada 4.2 milisegundos y posee un campo magnético aproximadamente 300 billones de veces más fuerte que el de la Tierra, ambas características definitorias de un magnetar.

"Creo que Joseph ha encontrado la prueba irrefutable", dijo Howell. "Ha vinculado los picos con el modelo del magnetar y ha explicado todo con la teoría mejor probada en astrofísica: la relatividad general. Es increíblemente elegante".

Filippenko añadió: "Ver un efecto claro de la teoría general de la relatividad de Einstein siempre es emocionante, pero verlo por primera vez en una supernova es especialmente gratificante".

Más misterios aún permanecen

Los investigadores advierten que los magnetars pueden no explicar cada supernova superluminiscente.

Algunas pueden brillar en lugar de cuando la onda de choque de la explosión choca con material circundante. Kasen también ha sugerido que si una estrella en colapso forma un agujero negro en lugar de un magnetar, podría producir una supernova inusualmente brillante. Un disco de acreción inclinado alrededor de un agujero negro también podría crear picos en la curva de luz.

"No sabemos qué fracción de las supernovas superluminiscentes tipo I podrían ser alimentadas por material circumestelar, pero definitivamente es una fracción menor de lo que pensábamos anteriormente, porque este descubrimiento claramente explica algunas de ellas", dijo Filippenko.

Farah espera que los astrónomos descubran muchas más supernovas "chirpantes" una vez que el Observatorio Vera C. Rubin comience su encuesta sin precedentes del cielo nocturno.

"Esto es lo más emocionante en lo que he tenido el privilegio de participar. Esta es la ciencia de la que soñé de niño", dijo Farah. "Es el universo diciéndonos en voz alta y clara que aún no lo entendemos completamente, y desafiándonos a explicarlo".

Howell, Logan Prust, ahora en el Instituto Flatiron en Nueva York, y Yuan Qi Ni de UCSB contribuyeron igualmente a la investigación. Filippenko reconoció el apoyo financiero de Christopher R. Redlich y muchos otros donantes.