Los astrónomos han observado, por primera vez, el nacimiento de un magnetar, un tipo de estrella de neutrones altamente magnética y de rápido giro. El avance confirma que estos exoplanetas pueden impulsar las explosiones estelares más brillantes jamás vistas
El descubrimiento también valida una teoría propuesta por primera vez por un físico de la Universidad de California en Berkeley hace 16 años y revela una característica recientemente reconocida de algunas estrellas en explosión: un “brillo” distintivo en su luz que sólo puede explicarse utilizando la teoría de la relatividad general de Einstein. La investigación se publica en la revista. la naturaleza.
El misterio detrás de la supernova más brillante
Las supernovas superluminosas se encuentran entre las explosiones más espectaculares del universo, 10 o más veces más brillantes que las supernovas normales. Desde que los astrónomos las detectaron por primera vez a principios de la década de 2000, han luchado por explicar por qué estas explosiones siguen siendo intensamente brillantes después de que el núcleo de hierro de una estrella masiva colapsara y expulsara sus capas externas al espacio.
En 2010, el astrónomo teórico Dan Cassen de la Universidad de California en Berkeley propuso que la respuesta es un imán naciente. Su teoría, escrita en coautoría con Lars Bildsten y propuesta de forma independiente por Stanford Woosley de la Universidad de California en Santa Cruz, sostenía que cuando una estrella masiva llega al final de su vida, su núcleo puede colapsar y convertirse en una estrella de neutrones increíblemente densa en lugar de convertirse en un agujero negro.
Si esa estrella original tuviera un campo magnético fuerte, el colapso lo expandiría dramáticamente, creando un imán con un campo magnético de 100 a 1000 veces más fuerte que un púlsar típico. Aunque tanto el púlsar como el magnetar miden unos 16 kilómetros de diámetro, el joven magnetar puede girar más de 1.000 veces por segundo.
A medida que giran, sus fuertes campos magnéticos aceleran las partículas cargadas que chocan contra los escombros en expansión de la supernova, inyectando energía adicional que mantiene la explosión encendida mucho más tiempo de lo esperado. También se cree que los magnetares producen misteriosas y rápidas ráfagas de radio.
Una supernova “chirriante” revela la verdad
Joseph Farah, estudiante graduado de UC Santa Barbara y del Observatorio Las Cumbres (LCO), encontró la evidencia más sólida hasta el momento para esta teoría después de estudiar una supernova descubierta en 2024, conocida como SN 2024afav. Farah, que se unirá al grupo de investigación de Kasen en UC Berkeley este otoño como becario postdoctoral Miller, y sus colegas concluyeron que los inusuales baches en la curva de luz de la supernova proporcionan evidencia directa de que se formó un imán durante la explosión.
“Lo que es realmente emocionante es que se trata de una evidencia definitiva de la creación de un imán a partir del colapso de un núcleo de supernova superluminoso”, dijo Alex Filipenko, profesor distinguido de astronomía de la Universidad de California en Berkeley, coautor del estudio y futuro mentor de Farah.
“La premisa del modelo de Dan Cassen y Stan Woosley es que todo lo que se necesita es energía en lo profundo del magnetar y una buena fracción de ella será absorbida, y eso explicaría por qué el objeto es superluminoso. Lo que no se demostró fue que un magnetar en realidad formó el núcleo de la supernova, y eso es lo que muestra el artículo de Zoff”.
Kassen dijo que los investigadores habían sospechado durante mucho tiempo que un imán oculto estaba impulsando estas extraordinarias explosiones.
“Durante años, la idea de un magnetar se ha sentido casi como un truco de magia de un teórico: ocultar un potente motor detrás de capas de restos de supernova. Era una explicación natural para el extraordinario brillo de esta explosión, pero no pudimos verlo directamente”, dijo. “El chirrido de esta señal de supernova es como si el motor corriera la cortina y revelara que realmente está ahí”.
Seguimiento de explosiones a miles de millones de años luz de distancia
Después de que SN 2024afav fuera descubierto en diciembre de 2024, el Observatorio Las Cumbres, una red global de 27 telescopios, monitoreó el brote durante más de 200 días. La supernova se produjo a unos mil millones de años luz de la Tierra.
Farah y el astrónomo de la UCSB Andy Howell notaron algo inusual después de que la supernova alcanzara su brillo máximo unos 50 días después de la explosión. En lugar de desvanecerse suavemente, como ocurre con la mayoría de las supernovas, su brillo aumenta y disminuye repetidamente. El intervalo entre estas fluctuaciones se vuelve progresivamente más corto, creando cuatro protuberancias distintas en la curva de luz.
Farah comparó el patrón con el tono ascendente del canto de un pájaro.
Las supernovas superluminosas anteriores ocasionalmente mostraban una o dos sacudidas, a menudo interpretadas como ondas de choque que chocaban con las capas de gas que rodeaban a la estrella moribunda. Pero ningún evento anterior había contado con cuatro.
La relatividad general de Einstein explica la señal
El modelo de Farah sugiere que parte del material expulsado de la explosión luego regresa al imán naciente para formar un disco de acreción.
Debido a que este disco estaba presumiblemente inclinado en relación con la rotación del magnetar, la teoría de Einstein predijo que la estrella de neutrones que giraba rápidamente arrastraría consigo la estructura circundante del espacio-tiempo, creando un fenómeno llamado precesión de empuje de lentes. Este efecto hace que el disco inclinado se tambalee.
A medida que el disco oscilante bloquea y refleja alternativamente la luz del imán, el sistema se comporta como un faro cósmico parpadeante. Con el tiempo, el disco gira en espiral hacia adentro, lo que aumenta la oscilación. Esto crea la distintiva “ardilla” detectada por los astrónomos, cuyos pulsos de luz llegan más rápidamente.
“Probamos una serie de ideas, incluidos los efectos puramente newtonianos y la precesión impulsada por el campo magnético del imán, pero sólo la precesión de la lente Thuring coincidió correctamente con el tiempo”, dijo Farah. “Esta 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 tiene un campo magnético aproximadamente 300 billones de veces más fuerte que el de la Tierra, ambas características típicas de una magnetosfera.
“Creo que Joseph encontró la prueba irrefutable”, dijo Howell. “Él vinculó los bultos al modelo del magnetar y explicó todo con la teoría mejor probada en astrofísica: la relatividad general. Es increíblemente elegante”.
“Siempre es emocionante ver una implicación clara de la teoría general de la relatividad de Einstein, pero verla por primera vez en una supernova es especialmente gratificante”, añadió Filippenko.
Aún quedan más misterios
Los investigadores advierten que los imanes no pueden explicar todas las supernovas superluminosas.
En cambio, algunos pueden brillar cuando la onda de choque de la explosión choca contra el material circundante. Kassen también sugirió que si una estrella en colapso produjera un agujero negro en lugar de un imán, también podría producir una supernova inusualmente brillante. Un disco de acreción inclinado alrededor de un agujero negro puede alterar la curva de luz.
“No sabemos qué fracción de supernovas superluminosas de tipo I podrían estar impulsadas por material cíclico, pero ciertamente es una fracción más pequeña de lo que pensábamos antes, porque este descubrimiento claramente explica algunas de ellas”, dijo Filipenko.
Farah espera que los astrónomos descubran muchas más supernovas “chirriantes” cuando el Observatorio Vera C. Rubin comience un estudio sin precedentes del cielo nocturno.
“Esto es lo más emocionante de lo que he tenido la oportunidad de formar parte. Esta es la ciencia con la que soñé cuando era niña”, dijo Farah. “Es el universo diciéndonos en voz alta y en nuestras caras que aún no lo entendemos del todo y retándonos a explicarlo”.
Howell, Logan Prost, ahora en el Instituto Flatiron de Nueva York, y Yuan Qi Ni de la UCSB contribuyeron igualmente a la investigación. Philippenko Christopher R. agradece el apoyo financiero de Redlich y de muchos otros donantes.
