Durante años, los astrónomos han confiado en las supernovas distantes como faros cósmicos para estudiar el universo y probar las leyes de la física. Pero mientras analizaba una explosión estelar en particular, Joseph Farah, estudiante de posgrado de quinto año de UC Santa Bárbara, notó algo completamente inesperado. La supernova pareció producir una señal extraña que creció con el tiempo, que describió como un “chirrido”.
En un nuevo estudio aceptado por la revista la naturalezaFarah y un equipo internacional de investigadores informan del descubrimiento de una supernova superluminosa (SN 2024afav) con un comportamiento muy inusual. El equipo incluye al asesor de Farah, Andy Howell, quien dirige el equipo de investigación de supernovas en el Observatorio Las Cumbres (LCO). Aplicando ideas de la relatividad general a la explosión de una estrella masiva, los investigadores pudieron explicar las extrañas señales observadas en este evento extraordinariamente brillante.
El secreto detrás del brillo de las supernovas
Cuando una estrella masiva agota su combustible nuclear, su núcleo colapsa y produce una dramática explosión conocida como supernova. La mayoría de las supernovas siguen un patrón bastante suave, iluminándose gradualmente antes de desvanecerse gradualmente. Incluso las supernovas más simples pueden superar a toda la galaxia durante algún tiempo.
Sin embargo, los astrónomos identificaron recientemente un grupo raro conocido como supernovas superluminosas que son de 10 a 100 veces más brillantes de lo normal. Los científicos aún no comprenden completamente el poder de esta explosión extrema. Muchos de ellos exhiben sorprendentes fluctuaciones en el brillo, breves picos de luz que interrumpen la curva suave esperada e indican que se están desarrollando procesos complejos dentro de los escombros en expansión.
Los investigadores han propuesto varias explicaciones para este aumento de brillo. Una posibilidad es que la fuente de energía esté ubicada en el centro de la explosión. En este escenario, la estrella colapsa para formar una estrella de neutrones, un remanente increíblemente denso que inyecta energía en los escombros circundantes y aumenta el brillo de la supernova. Otra teoría propone que el pico de brillo se produce cuando la onda expansiva de la explosión golpea la densa capa de gas que rodea la estrella. Estas colisiones pueden intensificar temporalmente la luz proveniente del material en expansión.
Una extraña señal de una supernova distante
Los científicos del LCO observaron más de cerca SN 2024afav, que se encuentra a unos mil millones de años luz de la Tierra. Durante sus observaciones, notaron una serie de destellos recurrentes en el brillo de la supernova.
Farah se dio cuenta de que el patrón estaba demasiado estructurado para explicarlo mediante interacciones aleatorias. Las variaciones seguían un ritmo suave, parecido a una onda, y el tiempo entre cada golpe se reducía rápidamente. Esto significa que la señal ocurre con más frecuencia.
Por primera vez, los astrónomos han visto una supernova que produce una señal cuasi periódica que aumenta en frecuencia, formando un “chirrido”. El fenómeno es similar a la señal detectada en las ondas gravitacionales cuando dos agujeros negros se juntan en espiral.
“No existía ningún modelo que pudiera explicar un patrón de baches que se aceleraba con el tiempo”, dijo Farah. “Empecé a pensar en cómo podría suceder esto, porque la señal parecía muy estructurada debido a interacciones aleatorias”.
Un imán en el centro
La idea que finalmente explica la señal surgió de una fuente inesperada. En ese momento, Farah estaba auditando un curso de relatividad general impartido por el físico de la UCSB Gary Horowitz.
Farah propuso que la supernova dejó un magnetar, un tipo de estrella de neutrones que gira extremadamente rápido y tiene un campo magnético extraordinariamente fuerte. En los modelos actuales, un imán puede actuar como fuente de energía que alimenta una supernova, haciéndola excepcionalmente brillante y dando forma a su curva de luz general.
Pero los modelos de magnetares existentes no pudieron explicar los obstáculos recurrentes. Estas fluctuaciones pueden surgir de interacciones con el gas circundante o de irregularidades en la potencia de salida del magnetor.
Farah sugiere un enfoque diferente. En su modelo, parte del material que explota vuelve al imán y forma un disco de acreción inclinado. Debido a un efecto de la relatividad general conocido como precesión de empuje de la lente, el imán giratorio gira el espacio-tiempo a su alrededor, lo que hace que el disco se tambalee.
A medida que el disco se procesa, bloquea y refleja alternativamente la luz del imán. Esto hace que el sistema se comporte como un faro cósmico parpadeante. A medida que el disco se mueve lentamente hacia el imán, su velocidad de oscilación aumenta. El resultado son pulsos de luz acelerados detectados desde la Tierra, que producen “chirridos” distintivos.
Probando la explicación de la relatividad
La precesión de lanzamiento de lentes no es el único proceso que puede hacer que un disco se tambalee. Para probar su explicación, Farah y sus colegas trabajaron con el teórico Logan Proust (un ex investigador postdoctoral en el Instituto Kavli de Física Teórica de la UCSB) para probar varias otras posibilidades.
SN 2024afav resulta ser un poderoso laboratorio para probar estas ideas porque cualquier modelo debe coincidir tanto con el período como con la tasa de cambio del período.
“Probamos varias 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 perfectamente con el tiempo”, explicó Farah. “Esta es la primera vez que se invoca la relatividad general para describir la mecánica de una supernova”.
Un esfuerzo global por un telescopio
Captar el descubrimiento requirió una rápida coordinación a través de una red global de telescopios. El destello inicial de la explosión fue detectado por primera vez en diciembre de 2024 por el estudio ATLAS. Los observatorios de la red, el Observatorio Las Cumbres, con sede en Goleta, siguieron el evento durante más de 200 días.
Durante esta campaña ampliada, los investigadores utilizaron toda la gama de instrumentos del LCO para monitorear las supernovas casi continuamente. También ajustan las técnicas de observación en tiempo real para garantizar que se registren incluso las fluctuaciones más pequeñas de brillo.
“Esta es una gran victoria para LCO”, dijo Farah. “Los datos de LCO excepcionalmente prístinos y de alta cadencia nos permiten predecir obstáculos futuros, y la capacidad de ajustar dinámicamente las campañas en un centavo nos permite probar nuestras predicciones en tiempo real. Cuando las predicciones comenzaron a hacerse realidad, sabíamos que estábamos viendo algo especial”.
La investigación representa un avance importante por dos razones. En primer lugar, marca el primer ejemplo conocido de una “amarga” en una supernova, revelando un nuevo tipo de comportamiento observable en las explosiones estelares. En segundo lugar, todavía proporciona evidencia clara de que los imanes alimentan supernovas superluminosas, convirtiendo una explicación teórica en un mecanismo confirmado.
Mirando hacia futuros descubrimientos
Farah defenderá su doctorado. tesis en UCSB este mayo y planea continuar estudiando estos fenómenos como miembro Miller en el Instituto Miller de Ciencias Básicas en UC Berkeley. Allí trabajará con el profesor Dan Kasen, quien originalmente propuso el modelo de supernova impulsada por un magnetar.
Andy Howell, asesor de Farah, destacó la importancia del descubrimiento.
“Fui parte del descubrimiento de supernovas superluminosas hace unos 20 años, y al principio no sabíamos qué eran. Luego se desarrolló el modelo de magnetar y parecía que podía explicar las asombrosas energías requeridas, pero no las limitaciones.
“Ahora, creo que Joseph encontró la prueba irrefutable”, continuó Howell, “y vinculó las protuberancias al modelo del magnetar y explicó todo con la teoría mejor probada en astrofísica: la relatividad general. Es increíblemente elegante”.
Farah cree que los astrónomos pronto detectarán muchas más de estas supernovas “susurrantes”. El próximo Observatorio Vera C. Rubin de Chile pronto comenzará un estudio sin precedentes del cielo nocturno, generando casi 10 terabytes de datos cada noche durante el programa de una década de duración.
“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”.
