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| Composición en color del Telescopio Espacial Hubble de la supernova de captura de electrones 2018zd y la galaxia anfitriona NGC 2146. Crédito: NASA/STScI/J. DePasquale; Observatorio Las Cumbres |
El origen de la captura de electrones de la supernova 2018zd
En el rango de masas de transición (~8-10 masas solares) entre la formación de enanas blancas y las supernovas de colapso del núcleo de hierro, se espera que las estrellas produzcan una supernova de captura de electrones. Teóricamente, se piensa que estos progenitores son estrellas superasintóticas de rama gigante con un núcleo degenerado de O + Ne + Mg, y la captura de electrones en los núcleos de Ne y Mg debería iniciar el colapso del núcleo. Sin embargo, no se ha identificado inequívocamente ninguna supernova de origen de captura de electrones, en parte debido a la incertidumbre en las predicciones teóricas. Aquí presentamos seis indicadores de supernovas de captura de electrones y mostramos que la supernova 2018zd es la única supernova conocida con fuertes evidencias para o consistentes con los seis: identificación del progenitor, material circunestelar, composición química, energía de la explosión, curva de luz y nucleosíntesis. En el caso de la supernova 2018zd, inferimos un progenitor de rama gigante superasintótica basándonos en el débil candidato que aparece en las imágenes previas a la explosión y en el material circunestelar químicamente enriquecido que revelan los primeros colores ultravioletas y la espectroscopia de flash. La morfología de la curva de luz y las líneas de emisión nebular pueden explicarse por la baja energía de la explosión y la nucleosíntesis rica en neutrones producida en una supernova de captura de electrones. Esta identificación proporciona información sobre la compleja evolución estelar, la física de las supernovas, la nucleosíntesis cósmica y las poblaciones remanentes en el rango de masas de transición.
El Dr. Iair Arcavi, investigador de la Universidad de Tel Aviv en la Facultad de Ciencias Exactas Raymond y Beverly Sackler, participó en un estudio que descubrió un nuevo tipo de explosión estelar: una supernova de captura de electrones. Aunque se han teorizado durante 40 años, los ejemplos del mundo real han sido esquivos. Estas supernovas surgen de las explosiones de estrellas con una masa entre 8 y 9 veces la del Sol. El descubrimiento también arroja nueva luz sobre el misterio de mil años de la supernova de 1054 d. C. que fue vista por los antiguos astrónomos, antes de convertirse en la nebulosa del Cangrejo, que conocemos hoy.
Una supernova es la explosión de una estrella a raíz de un súbito desequilibrio entre dos fuerzas opuestas que le dieron forma a lo largo de su vida. La gravedad trata de contraer cada estrella. Nuestro sol, por ejemplo, contrarresta esta fuerza mediante la fusión nuclear en su núcleo, que produce una presión que se opone a la atracción gravitatoria. Mientras haya suficiente fusión nuclear, la gravedad no podrá colapsar la estrella. Sin embargo, con el tiempo, la fusión nuclear se detendrá, al igual que la gasolina se agota en un coche, y la estrella se colapsará. En el caso de estrellas como el Sol, el núcleo colapsado se denomina enana blanca. El material de las enanas blancas es tan denso que las fuerzas cuánticas entre los electrones impiden un mayor colapso.
Sin embargo, para las estrellas 10 veces más masivas que nuestro sol, las fuerzas cuánticas de los electrones no son suficientes para detener la atracción gravitatoria, y el núcleo sigue colapsando hasta convertirse en una estrella de neutrones o en un agujero negro, acompañado de una explosión gigante. En el rango de masas intermedias, los electrones se aprietan (o más exactamente, se capturan) en los núcleos atómicos. Esto elimina las fuerzas cuánticas de los electrones y hace que la estrella se colapse y luego explote.
Históricamente, ha habido dos tipos principales de supernovas. Una es la supernova termonuclear, es decir, la explosión de una estrella enana blanca después de ganar materia en un sistema estelar binario. Estas enanas blancas son los densos núcleos de ceniza que quedan después de que una estrella de baja masa (una de hasta unas 8 veces la masa del sol) llegue al final de su vida. Otro tipo principal de supernova es la supernova de colapso del núcleo, en la que una estrella masiva (de más de 10 veces la masa del Sol) se queda sin combustible nuclear y su núcleo se colapsa, creando un agujero negro o una estrella de neutrones. Los trabajos teóricos sugerían que las supernovas de captura de electrones se producirían en el límite entre estos dos tipos de supernovas.
Esa es la teoría que desarrollaron en los años 80 Ken'ichi Nomoto, de la Universidad de Tokio, y otros. A lo largo de las décadas, los teóricos han formulado predicciones sobre lo que hay que buscar en una supernova de captura de electrones. Las estrellas deberían perder mucha masa de composición particular antes de explotar, y la supernova en sí debería ser relativamente débil, tener poca lluvia radiactiva y producir elementos ricos en neutrones.
El nuevo estudio, publicado en Nature Astronomy, se centra en la supernova SN2018zd, descubierta en 2018 por el astrónomo aficionado japonés Koihchi Itagaki. En el estudio también ha participado el doctor Iair Arcavi, del departamento de astrofísica de la Universidad de Tel Aviv. Esta supernova, situada en la galaxia NGC 2146, tiene todas las propiedades que se esperan de una supernova de captura de electrones, que no se han visto en ninguna otra supernova. Además, como la supernova está relativamente cerca -sólo a 31 millones de años luz-, los investigadores pudieron identificar la estrella en imágenes de archivo anteriores a la explosión tomadas por el telescopio espacial Hubble. De hecho, la estrella en sí también se ajusta a las predicciones del tipo de estrella que debería explotar como supernova de captura de electrones, y es diferente a las estrellas que se vieron explotar como los otros tipos de supernovas.
Mientras que algunas supernovas descubiertas en el pasado presentaban algunos de los indicadores previstos para las supernovas de captura de electrones, sólo SN2018zd tenía los seis: una estrella progenitora que encaja en el rango de masa esperado, una fuerte pérdida de masa previa a la supernova, una composición química inusual, una explosión débil, poca radiactividad y material rico en neutrones. "Empezamos preguntando "¿qué es este bicho raro?", dijo Daichi Hiramatsu, de la Universidad de California en Santa Bárbara y del Observatorio de Las Cumbres, que dirigió el estudio. "Luego examinamos todos los aspectos de SN 2018zd y nos dimos cuenta de que todos ellos pueden explicarse en el escenario de captura de electrones".
Los nuevos descubrimientos también iluminan algunos misterios de una de las supernovas más famosas del pasado. En el año 1054 d.C. se produjo una supernova en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, y según los registros chinos y japoneses, era tan brillante que podía verse de día y proyectar sombras por la noche. El remanente resultante, la nebulosa del Cangrejo, se ha estudiado con gran detalle y se ha descubierto que tiene una composición inusual. Anteriormente era el mejor candidato para una supernova de captura de electrones, pero esto era incierto en parte porque la explosión ocurrió hace casi mil años. El nuevo resultado aumenta la confianza en que la histórica supernova de 1054 fue una supernova de captura de electrones.
"Es sorprendente que podamos arrojar luz sobre acontecimientos históricos del Universo con instrumentos modernos", afirma el Dr. Arcavi. "Hoy en día, con los telescopios robóticos que escanean el cielo con una eficacia sin precedentes, podemos descubrir cada vez más acontecimientos raros que son fundamentales para comprender las leyes de la naturaleza, sin tener que esperar 1000 años entre un acontecimiento y otro".
Fuentes, créditos y referencias:
Referencia: "The electron-capture origin of supernova 2018zd" por Daichi Hiramatsu, D. Andrew Howell, Schuyler D. Van Dyk, Jared A. Goldberg, Keiichi Maeda, Takashi J. Moriya, Nozomu Tominaga, Ken'ichi Nomoto, Griffin Hosseinzadeh, Iair Arcavi, Curtis McCully, Jamison Burke, K. Azalee Bostroem, Stefano Valenti, Yize Dong, Peter J. Brown, Jennifer E. Andrews, Christopher Bilinski, G. Grant Williams, Paul S. Smith, Nathan Smith, David J. Sand, Gagandeep S. Anand, Chengyuan Xu, Alexei V. Filippenko, Melina C. Bersten, Gastón Folatelli, Patrick L. Kelly, Toshihide Noguchi y Koichi Itagaki, 28 de junio de 2021, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-021-01384-2
El Dr. Arcavi es miembro del Proyecto Global de Supernovas, y utiliza la red de telescopios de Las Cumbres para estudiar fenómenos transitorios raros como supernovas, fusiones de estrellas de neutrones y estrellas desgarradas por agujeros negros.
Traído gracias a SciTechDaily
Para más información sobre esta investigación:
- Discovery of a New Type of Stellar Explosion – An Electron-Capture Supernova – Illuminates a Medieval Mystery
- New, Third Type of Supernova Discovered: An Electron-Capture Supernova
- A New Type of Supernova Illuminates an Old Mystery