Están ocurriendo supernovas. Hemos visto lo suficiente y estamos casi seguros. La razón por la que suceden es un asunto completamente diferente. Mientras trabajamos para comprender la física detrás de estas enormes explosiones, a veces hemos pasado por momentos difíciles en los que las estrellas de nuestros modelos dejan de explotar. Agregar una física más realista generalmente ha dado un impulso a los modelos, y ahora estamos en un período en el que los últimos modelos parecen autodestruirse.

El desafío es tratar de encontrar evidencia de que la física que usamos en nuestros modelos exitosos refleje con precisión lo que sucede en una estrella moribunda, lo que no es una tarea fácil con un evento que destruye instantáneamente gran parte de la evidencia.

Ahora los datos de Observatorio de rayos X Chandra indica que un mecanismo utilizado en modelos de supernovas recientes probablemente sea correcto. Los resultados se publican en la edición de esta semana de Nature.

Va boom (especialmente)

Las supernovas involucradas aquí ocurren cuando una estrella masiva se queda sin combustible, provocando el colapso de su núcleo. Aquí puede ver un problema potencial: ¿Cómo un colapso conduce a una explosión?

La idea general es que una vez que se agota el combustible y se detiene la fusión, el núcleo interno de la estrella colapsa en una estrella de neutrones. Las capas sobre el núcleo, privadas de la energía que las empuja hacia afuera, se sumergen hacia el núcleo, golpean la estrella de neutrones y rebotan. Este rebote es lo que rompe las capas visibles más externas de la estrella.

Desafortunadamente, eso no funciona exactamente. Las capas externas de la estrella también se separan de la energía que ha frustrado la atracción de la gravedad y también comienzan a descender hacia el núcleo. En algún lugar dentro de la estrella, las capas hinchables que explotan hacia afuera chocarán con las capas más distantes que siempre colapsan hacia adentro. El resultado es un frente de choque que se detiene antes de llegar a la superficie de la estrella. Nada va en auge.

El punto de equilibrio se alcanza lo suficientemente cerca de la superficie de la estrella, sin embargo, esa entrada de energía adicional sería suficiente para convertir las cosas en un modo de explosión. Y los físicos han propuesto una fuente bastante improbable de esta energía: los neutrinos. Estas partículas son notables por interactuar rara vez con otra materia, por lo que parecen ser un terrible candidato para transferir energía al material que actúa en las capas externas de la estrella. Pero muchos de ellos se producen durante el colapso del corazón que el calentamiento de neutrinos es una cosa, incluso si no es algo que le gustaría tener para recalentar sus sobras.

Y, afortunadamente en este contexto, es algo que tiene consecuencias. El material calentado por los neutrinos sigue intentando expandirse y escapar de la estrella. El material que no ha sido horneado por los neutrinos todavía está haciendo todo lo posible para colapsar. El resultado es una convección espectacular en las capas exteriores de la estrella, ya que los materiales colapsan y explotan unos sobre otros. Tiene el potencial de crear explosiones asimétricas, lo que hemos visto suceder. Y esto también tiene consecuencias para el material que se expulsa.

El gel

El calentamiento de neutrinos puede sonar un poco extraño, pero una de sus consecuencias es igualmente extraña. El material calentado forma lo que los físicos llaman un «penacho de alta entropía». En este caso, la alta entropía simplemente se refiere a una combinación de baja densidad y energías extremadamente altas. Es lo suficientemente alto como para que algunos de los átomos recién formados terminen desarmados en protones, neutrones y partículas alfa, una combinación de dos neutrones y dos protones. (Una partícula alfa es lo mismo que el núcleo de un átomo de helio típico).

Sin embargo, a medida que el material se enfría, la energía y la densidad disminuyen donde todo ese material comienza a formar núcleos atómicos más grandes en un proceso llamado gel rico en alfa. Este proceso tiene una firma atómica distinta, ya que es probable que la física del gel forme una serie de elementos e isótopos específicos. Entonces, al observar los restos de la estrella explotada, podemos encontrar potencialmente evidencia de que se ha producido una congelación rica en alfa.

Y eso es exactamente lo que se hizo en este nuevo estudio. Uno de los isótopos producidos en jaleas ricas en alfa es ⁵⁶Tampoco, que rápidamente se desintegra en ⁵⁶Fe. Y las imágenes de supernovas anteriores permanecen en Casiopea A ha demostrado que hay áreas dentro del material expulsado que son ricas en hierro. Así, una colaboración entre investigadores estadounidenses y japoneses buscó en estas regiones ricas en hierro la presencia de cromo y titanio, que también se producen durante un gel rico en alfa.

Obviamente, los investigadores los encontraron, de lo contrario no habría sido necesario escribir este artículo. Igualmente críticos, el cromo y el titanio estaban presentes en cantidades compatibles con su formación en una columna de material rico en protones y de alta energía.

De manera igualmente significativa, los modelos de supernovas sugieren que las columnas de materia impulsadas por el calentamiento de neutrinos deberían viajar entre 4.000 y 5.000 kilómetros por segundo. Y el material rico en hierro viaja a más de 4.000 kilómetros por segundo, lo que lo coloca en el vecindario correcto.

Todo esto sugiere que nuestros modelos actuales de estrellas explosivas parecen estar en el camino correcto. Las estrellas modelo no solo explotan realmente, sino que lo hacen de una manera que parece ser consistente con un remanente de supernova existente. Evidentemente, esto será algo que querremos examinar en otras supernovas que queda por confirmar. Pero por ahora, al menos, los constructores de modelos pueden apreciar el alivio de tener buenas razones para creer que no están muy lejos de la pista.

Naturaleza, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03391-9 (Acerca de los DOI).