Los 30 misterios de la astronomía

Episodio 6

¿Qué es una supernova y para qué sirve?

¿De dónde vienen los rayos cósmicos más energéticos?

¿Qué es una supernova y para qué sirve?

Remanente de la supernova de Kepler, SN 1604.

Es una estrella de entre 5 y 10 veces la masa del sol que, después de quemar hidrógeno, helio y carbón para mantenerse viva, recurrirá al hierro. Pero la fusión de hierro no libera energía, sino que la absorbe. Entonces el núcleo se enfría, toda fusión cesa, y la pobre estrella implota. Y después, explota. Esta explosión es el acto de violencia más grandioso del cosmos. Una sola supernova puede ser más brillante que una galaxia entera durante unos días. Después de esta fase, el núcleo puede terminar convertido en una enana blanca, en una estrella de neutrones o en un agujero negro.

Imagen del telescopio espacial Hubble mostrando la supernova
1994D abajo a la izquierda y la galaxia NGC 4526

Las supernovas producen destellos de luz intensísimos que pueden durar desde varias semanas a varios meses. Se caracterizan por un rápido aumento de la intensidad luminosa hasta alcanzar una magnitud absoluta mayor que el resto de la galaxia. Posteriormente su brillo decrece de forma más o menos suave hasta desaparecer completamente.

Se han propuesto varios escenarios para su origen. Pueden ser estrellas masivas que ya no pueden desarrollar reacciones termonucleares en su núcleo, y que son incapaces de sostenerse por la presión de degeneración de los electrones, lo que las lleva a contraerse repentinamente (colapsar) y generar, en el proceso, una fuerte emisión de energía. 

Otro proceso más violento aún, capaz de generar destellos incluso mucho más intensos, puede suceder cuando una enana blanca miembro de un sistema binario cerrado, recibe suficiente masa de su compañera como para superar el límite de Chandrasekhar y proceder a la fusión instantánea de todo su núcleo: esto dispara una explosión termonuclear que expulsa casi todo, si no todo, el material que la formaba.

La explosión de supernova provoca la expulsión de las capas externas de la estrella por medio de poderosas ondas de choque, enriqueciendo el espacio que la rodea con elementos pesados. Los restos eventualmente componen nubes de polvo y gas. Cuando el frente de onda de la explosión alcanza otras nubes de gas y polvo cercanas, las comprime y puede desencadenar la formación de nuevas nebulosas solares que originan, después de cierto tiempo, nuevos sistemas estelares (quizá con planetas, al estar las nebulosas enriquecidas con los elementos procedentes de la explosión).

Estos residuos estelares en expansión se denominan remanentes y pueden tener o no un objeto compacto en su interior. Dicho remanente terminará por diluirse en el medio interestelar al cabo de millones de años. Un ejemplo es RCW 86 (una nebulosa gaseosa, como se aprecia en la imagen del emanente de la supernova de Kepler) 

Las supernovas pueden liberar varias veces 1044 J de energía. Esto ha resultado en la adopción del foe (1044 J) como unidad estándar de energía en el estudio de supernovas.

La primera fase de la supernova es un colapso rápido del núcleo incapaz de sostenerse. Esto conlleva una fuerte emisión de fotones y neutrones que son absorbidos por las capas interiores frenando así su colapso. Simultáneamente un frente de choque de neutrinos se genera durante la neutronización del núcleo compacto. Finalmente, la neutrinosfera choca contra la cubierta y transmite su momento expulsando las capas y produciendo la explosión de supernova.

El papel de las supernovas en la evolución estelar

Las supernovas contribuyen a enriquecer el medio interestelar con metales (para los astrónomos, «metal» es todo elemento más pesado que el helio). Así, tras cada generación de estrellas (y, consecuentemente, de supernovas), la proporción de elementos pesados del medio interestelar aumenta. Mayores abundancias en metales tienen importantes efectos sobre la evolución estelar. Además, sólo los sistemas estelares con metalicidad lo suficientemente alta pueden llegar a desarrollar planetas. Una mayor metalicidad conlleva pues una mayor probabilidad de formación de planetas, pero también contribuye a formar estrellas de menor masa. Esto es debido a que el gas acretado por la protoestrella es más sensible a los efectos del viento estelar cuanto más elementos pesados posea, pues éstos absorben mejor los fotones.

Alex Filippenko y sus colaboradores postulan que las mayores supernovas (como la SN 2005ap y la SN 2006gy) habrían sido producidas por estrellas muy masivas (de 100 o más masas solares, en los casos citados 150 masas solares), y que estrellas de esas características habrían constituido la primera generación de estrellas en el universo; al estallar como gigantescas supernovas habrían difundido en el universo los elementos químicos a partir de los cuales se generaron las nuevas estrellas (y astros en general). Tales elementos químicos serían en definitiva los que constituyen a cada ente material conocido, incluidos los animales.

En la investigación espacial las supernovas se usan para determinar la distancia a la que está otra galaxia y su velocidad de expansión. 

¿De dónde vienen los rayos cósmicos más energéticos?

Las observaciones del Observatorio de Rayos Cósmicos Pierre Auger, en Argentina, en 2007 apuntan a que una de las fuentes de estos rayos es el núcleo activo de las galaxias, o sea los agujeros negros. El 90% de los rayos cósmicos son protones, el 9% son núcleos de helio, mientras que el 1% restante son electrones. Gracias a la baja densidad de la materia del espacio, estas partículas logran viajar en una pieza, hasta que colisionan con otras partículas en nuestra atmósfera, causando chubascos cuya energía y composición se mide en varios observatorios astronómicos.

© carlitosber.blogspot.com.ar, Junio 21 MMXV

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