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Carlos del Porto Blanco

Una supernova es una de los eventos más espectaculares y energéticos del universo. Se trata del estallido de una estrella, un evento tan brillante que, durante días o semanas, puede eclipsar a toda una galaxia y ser visible incluso a simple vista desde la Tierra en lugares donde antes no se veía ninguna estrella. Se trata de estrellas que luego de vivir millones de años, colapsan por la disminución de los elementos químicos que promueven su combustión (hidrógeno y helio, principalmente) hasta que se agotan. El término proviene del latín super (“por encima”) y nova (“nueva”), porque antiguamente se pensaba que era el nacimiento de una nueva estrella, cuando en realidad era el final dramático de una ya existente. De estos eventos cataclísmicos se hablará hoy.

El proceso de descubrimiento científico es, en efecto, una huida continua del asombro. Albert Einstein.

Las estrellas masivas queman enormes cantidades de combustible nuclear en sus núcleos, o centros; ello produce grandes cantidades de energía, por lo que el centro se calienta mucho. Ese calor genera presión, y la ésta, creada por la incineración nuclear de la estrella, evita que la estrella se derrumbe. Las estrellas mantienen el equilibrio entre dos fuerzas opuestas. La gravedad de la estrella intenta compactar la estrella, para que sea la bola más pequeña y densa posible. Pero el combustible nuclear que se quema en el núcleo de la estrella genera una fuerte presión hacia el exterior. Ese empuje hacia afuera crea resistencia ante la compresión hacia adentro de la gravedad.

¿Cómo se mantiene la integridad de las estrellas? Un equilibrio entre la gravedad que empuja hacia el interior de la estrella y el calor y la presión que empujan hacia afuera desde el núcleo.

Cuando una estrella masiva se queda sin combustible, se enfría, y eso hace que la presión caiga. La gravedad gana, y la estrella, de repente, se desmorona. ¡Imagina algo que tiene un millón de veces la masa de la Tierra, derrumbándose en 15 segundos! ¡El derrumbe ocurre tan rápido que crea enormes ondas de choque que provocan la explosión de la parte exterior de la estrella! Por lo general, queda atrás un núcleo muy denso, así como una nube expansiva de gas caliente llamada nebulosa. La supernova de una estrella que posea más de diez veces el tamaño de nuestro Sol puede dejar atrás los objetos más densos del universo: los agujeros negros.

Durante el proceso de vida de las estrellas, se sabe que ellas pasan la mayor parte de su existencia fusionando hidrógeno en helio en su núcleo a través de reacciones nucleares. La duración de esa fase depende de la masa de la estrella. Las más masivas consumen su hidrógeno más rápido que las menos masivas. Pero llega un momento en el que la estrella agota su suministro de hidrógeno. En las estrellas masivas, la fusión de elementos más pesados continúa hasta que se forma el hierro en su núcleo. La fusión del hierro no es un proceso energéticamente rentable, y eso marca el comienzo del fin para la estrella. Con la fusión del hierro, la estrella masiva enfrenta un dilema insuperable. La presión generada por la fusión ya no puede contrarrestar la fuerza de la gravedad que intenta colapsar el núcleo de la estrella. El colapso del núcleo desencadena una reacción en cadena que resulta en una poderosa explosión. Ese colapso abrupto y la posterior explosión liberan una cantidad de energía extraordinaria, expulsando las capas externas de la estrella al espacio en lo que se conoce como supernova.

A los eventos de esa naturaleza se les llamó inicialmente stellae novae (estrellas nuevas) o simplemente novae. Con el tiempo se hizo la distinción entre fenómenos aparentemente similares, pero de luminosidad intrínseca muy diferente; los menos luminosos continuaron llamándose novae (novas), en tanto que el término supernova fue acuñado por Walter Baade y Fritz Zwicky en 1931 para denominar a los más luminosos agregándoles el prefijo “super”.

Ese evento astronómico ocurre durante las últimas etapas evolutivas de una estrella masiva o cuando en una enana blanca se origina una fusión nuclear descontrolada. El objeto original, llamado progenitor, se colapsa en una estrella de neutrones o un agujero negro, o se destruye por completo. Según la Agencia Espacial Europea (ESA, por sus siglas en inglés), cuando las estrellas agotan toda su composición de elementos combustibles, se expanden hasta formar una estrella conocida como gigante roja que subsiste por el consumo de otros elementos de su formación química como helio, oxígeno, carbono, entre otros.

Ilustración de una de las explosiones de supernovas más brillantes y potentes que se han registrado jamás. Fuente de la imagen: NASA/CXC/M.Weiss

El término primitivo fue utilizado desde la antigüedad para indicar la explosión de una estrella súper gigante roja en sus capas externas, las cuales producen una luminosidad que puede aumentar cien mil veces su brillo original. Esa luminosidad dura unos pocos días y, en ocasiones, puede ser observada a simple vista desde la Tierra. Al ver un nuevo resplandor en el cielo, los seres humanos creían que había aparecido una nueva estrella. Al año siguiente de la muerte de Fritz Zwicky, en agosto de 1975, apareció una nova que pudo ser observada a simple vista desde la Tierra durante algunos días. Esa nova surgió de la explosión de una gigante roja.

Se han propuesto varios escenarios para el origen de las supernovas. 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 (alrededor de 1.4 veces la masa del Sol), y proceder a la fusión instantánea de todo su núcleo: eso provoca una explosión termonuclear que expulsa casi todo, si no todo, el material que la formaba.

La explosión de una 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 finalmente 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).

El colapso del núcleo crea condiciones extremas con temperaturas y densidades increíblemente altas. Los valores de temperatura y las densidades son increíblemente elevados. En ese momento crítico, los electrones y protones se combinan para formar neutrones, liberando neutrinos en el proceso. Estos llevan gran parte de la energía lejos del núcleo, debilitando temporalmente la fuerza de la gravedad que provoca el colapso. Sin embargo, la energía liberada en el rebote comprime las capas externas de la estrella y genera una intensa onda de choque.

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

Los descubrimientos de supernovas son notificados a la UAI (Unión Astronómica Internacional), la cual distribuye una circular con el nombre recientemente asignado. El nombre se forma por el año del descubrimiento y la designación de una o dos letras. Las primeras 26 supernovas del año llevan letras de la A a la Z (vg. Supernova 1987A); las siguientes llevan aa, ab, etc.

La estrella de neutrones

También llamadas púlsares, se forman cuando el hundimiento del núcleo se detiene a consecuencia de los neutrones, que se desplazan sin rumbo debido a las altas temperaturas prevalecientes, ocasionando que la materia se encuentre disgregada en protones, neutrones y electrones. Las estrellas de neutrones o púlsares tienen un campo magnético muy grande, con lo que se induce a la emisión progresiva de radiación electromagnética en forma de pulsos, los cuales se mueven a intervalos periódicos de acuerdo con el período de rotación.

Agujero negro

Por otro lado, cuando el núcleo que se mantiene durante la explosión de supernova tiene una masa que sobrepasa el límite de la misma, es decir, la masa de unos tres soles, su hundimiento es inevitable. Eso conlleva a que la densidad de la estrella sea increíblemente alta, provocando que colapse, a partir de ello se forman los agujeros negros. Cuanta más densidad exista, más grande será el agujero negro, tan grande que cualquier cosa que esté cerca de ellos será atrapada debido a su intensa fuerza gravitatoria.

Las supernovas pueden originarse de dos maneras principales: por el colapso de estrellas masivas o por la explosión de una enana blanca.

  • Colapso de estrellas masivas: Cuando una estrella mucho más grande que el Sol agota su combustible nuclear, ya no puede sostener su propio peso. Su núcleo colapsa de manera repentina y violenta, generando una onda de choque que expulsa las capas externas de la estrella al espacio y deja detrás de si un objeto extremadamente denso: una estrella de neutrones o, si la masa es suficientemente grande, un agujero negro.
  • Explosión de una enana blanca: En sistemas binarios, una enana blanca (el “cadáver” de una estrella como el Sol) puede robar materia a una estrella compañera. Si acumula suficiente masa y supera el Límite de Chandrasekhar se desencadena una reacción termonuclear descontrolada que la hace estallar por completo.

Remanente de la supernova de Kepler, SN 1604

Ambas rutas producen una luminosidad extraordinaria y dispersan elementos químicos pesados por el cosmos. El proceso de una supernova incluye:

  • Colapso o detonación: El núcleo de la estrella se contrae o la enana blanca explota.
  • Emisión de energía: Se libera una cantidad de energía inmensa, superando en ocasiones el brillo de toda una galaxia.
  • Expulsión de material: Las capas externas de la estrella son arrojadas al espacio a velocidades de miles de kilómetros por segundo.
  • Enriquecimiento cósmico: Los elementos pesados sintetizados en la explosión (como el hierro, el oro y el uranio) se esparcen por el espacio, sembrando los componentes de futuras generaciones de estrellas y planetas.

Tipos de supernovas

La clasificación de las supernovas tiene razones históricas, y nació de los primeros intentos por parte de los astrónomos de comprenderlas; es así como se les comenzó a agrupar de acuerdo a las líneas de absorción de diferentes elementos químicos que aparecen en sus espectros. La primera clave para la división es la presencia o ausencia de hidrógeno. Si el espectro de una supernova no contiene una línea de hidrógeno es clasificada como tipo I; de lo contrario, se la clasifica como tipo II.

  • Tipo I: Ese tipo de supernova se crea únicamente cuando dos estrellas comparten un mismo punto gravitacional, lo que la Nasa, agencia espacial estadounidense, identifica como sistema binario de estrellas. Otra condición para su origen es que una estrella del par sea enana blanca de carbono y oxígeno; y cuya compañera sea cualquier otra clase de estrella, como una gigante roja u otra enana blanca. La enana blanca de ese sistema binario se encarga de absorber toda la materia disponible de la estrella con mayor vitalidad. La revista Astronomy complementa que, cuando la cantidad absorbida alcanza 1.4 veces la masa del Sol (Límite de Chandrasekhar), el exceso de materia del cuerpo comprimido ocasiona una supernova y se vaporiza por completo. El radio de tamaño 1.4 en relación a la masa del Sol es utilizado también por la astronomía para medir distancias en el Universo. El sitio web Universe Today señala que, al conocer cuánta energía detonó la Supernova, los astrónomos pueden calcular la distancia de la explosión.
  • Tipo Ia: Provienen de la explosión de una enana blanca que integra un sistema binario. Son tan uniformes en su brillo que los astrónomos las usan como “faros cósmicos” para medir distancias en el universo.
  • Tipo II La segunda especie de supernova identificada por la Nasa corresponde a las estrellas masivas. Ese término corresponde “a todo astro aislado que produce una explosión debido a su colapso gravitatorio”. Tal como continúa diciendo la agencia espacial estadounidense, esas estrellas pueden tener hasta cinco veces la masa del Sol en nuestro sistema solar. Esos cuerpos aislados convierten el hidrógeno en fusión en su núcleo, en helio. Dicha reacción libera energía en forma de fotones y la presión que ejerce es empujada contra la interacción gravitatoria del espacio, que intenta atraer a la estrella sobre sí misma, agrega el sitio Universe Today. Una vez agotada la combustión de hidrógeno, la estrella dispone de otros elementos químicos para sobrevivir. Luego, las capas externas del lucero colapsan hacia adentro producto de la fuerza gravitatoria del espacio contra su materia y detona como una supernova de tipo II.

Las supernovas son eventos relativamente raros y difíciles de detectar. En nuestra propia galaxia, La Vía Láctea, históricamente, se ha podido observar un número relativamente bajo, unas dos o tres supernovas de tipo II cada cien años. Esas de tipo II son seis o siete veces más frecuentes que las de tipo Ia. En la actualidad, lo que hacen los astrónomos es monitorear grandes extensiones de cielo. Se usan telescopios muy rápidos para otear todo el cielo en todas las direcciones y así detectar cuando se produce un evento de ese tipo, que no solo son raros, sino que además duran poco. Primero hay una curva de aumento de brillo muy espectacular que se produce durante aproximadamente una semana y luego ese brillo decae y puede durar desde unos meses a un año. En algunos casos, después de eso puede quedar un remanente, las capas que se han dispersado de la estrella, y ser visible durante mucho más tiempo, incluso cientos de años.

Las supernovas son eventos raros porque la mayoría de las estrellas que hay en el universo, prácticamente el 90% de ellas, son de baja masa. Estrellas masivas o binarias que estén justamente en la fase de producir una supernova, lo que ocurre cuando la estrella tiene varios miles de millones de años, son la minoría. Y aunque sigue siendo un fenómeno muy raro, desde que se monitorea todo el cielo es más frecuente observarlas en otras galaxias. Una de las más destacadas y recientes se detectó en 2006 en la galaxia NGC 1260, fue la segunda supernova más grande observada hasta la fecha. Además de esa, otras destacadas se produjeron en 2005 (la más brillante jamás observada, hasta ocho veces el brillo de la Vía Láctea), otra en 1987 en La Gran Nube de Magallanes y otra en 1885 en la Galaxia de Andrómeda.

La Nebulosa del Cangrejo es el resto de una estrella masiva de nuestra Vía Láctea, que murió hace 6500 años luz. Los astrónomos y los observadores más atentos vieron esta supernova en el año 1054. Fuente de la imagen: NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)

La importancia de las supernovas, sobre todo de las de tipo Ia, es que permite medir las mayores distancias dentro del universo. Son lo que se llama “candelas estándar” una especie de indicador universal de las distancias a las galaxias y que se basa en que tienen siempre la misma intensidad de brillo. Gracias al estudio de las supernovas se ha comprobado no solo que el universo sigue expandiéndose, sino que además esa expansión se acelera. Para hacer esas medidas los investigadores se basan en la relación que existe entre la luminosidad de una estrella y su distancia, básicamente la luminosidad de una supernova disminuye con el cuadrado de la distancia a la galaxia. Utilizando esa relación, que es universal, se puede calcular muy fácilmente la distancia a la que está esa supernova. Como el brillo tiene que ser prácticamente el mismo en las supernovas del tipo Ia, se puede comparar su brillo con el de otras supernovas y así identificar a qué distancias están.

Desde la antigüedad, se han documentado descubrimientos de supernovas a simple vista. Por ejemplo, los astrónomos chinos documentaron varias, una de las más famosas es la que originó la actual nebulosa del Cangrejo, que se produjo en el año 1054. Esa nebulosa todavía es muy importante en la astrofísica actual porque se usa para calibrar algunos telescopios, por ejemplo los telescopios MAGIC de La Palma que estudian los fenómenos más energéticos del universo. La nebulosa del Cangrejo es el remanente de aquella supernova que se observó en el año 1054. Hay algunas que no dejan ningún residuo, otras como esta de la nebulosa del Cangrejo dejan una estrella de neutrones.

Además de que permiten medir distancias, la otra gran oportunidad que ofrecen las supernovas es que hacen posible que se pueda observar el interior de las estrellas. Cuando se mira las estrellas solo se puede ver su superficie pero gracias a la explosión, al pasar el tiempo, los espectros que se perciben muestran los diferentes componentes y eso brinda información sobre los procesos nucleares que se han producido en el interior de esa estrella.

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, solo 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. Eso se debe a que el gas acretado por la protoestrella es más sensible a los efectos del viento estelar cuantos más elementos pesados posea, pues esos absorben mejor los fotones.

El investigador 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, y por supuesto, incluidos todos los seres vivos.

Algunos hechos de interés

  • SN 1006, observada en el año 1006, por eso tiene ese nombre. Esa supernova fue registrada por astrónomos chinos, egipcios y otros en todo el mundo.
  • SN 1054: El 4 de julio de 1054, astrónomos chinos y árabes, también hay referencias a ese evento en manuscritos japoneses y en el diario de un monje irlandés, registraron una supernova tan brillante que fue visible durante en las mañanas en el transcurso de 23 días. Sus restos hoy forman la Nebulosa del Cangrejo que tiene un diámetro de alrededor de 11 años luz. En el corazón de esta nebulosa se encuentra un pulsar.
  • La supernova de Tycho Brahe (1572): Ese astrónomo danés observó una estrella brillante en la constelación de Casiopea que no debería estar allí. Publica el libro De Stella Nova. El evento ayudó a cuestionar la idea medieval de un cielo inmutable.
  • Supernova de Kepler (1604): Johannes Kepler documentó esa explosión visible a simple vista, lo que ayudó a consolidar la teoría heliocéntrica.
  • SN 1987A: Esa supernova, detectada en 1987 en la Gran Nube de Magallanes, fue la más cercana observada en tiempos modernos y permitió estudiar en detalle el proceso de explosión estelar. Fue visible desde el hemisferio sur en 1987. Fue la primera oportunidad de estudiar una supernova con telescopios modernos y detectores de neutrinos. Confirmó teorías sobre cómo se comportan las estrellas al final de su vida.
  • En 1998: Estudios basados en supernovas tipo Ia llevaron al descubrimiento de la energía oscura, el misterioso componente que se considera que acelera la expansión del universo.
  • SN 2016aps: Descubierta el 20 de septiembre de 2016 a 86 millones de años luz, en la galaxia espiral NGC 613, al explotar la estrella bautizada SN 2016gkg. El astrónomo aficionado Víctor Buso se convirtió en la primera persona en la historia en fotografiar el nacimiento de una supernova. Ésta es la más brillante y energética jamás registrada, tuvo una energía diez veces superior a la de una supernova típica. Se cree que su estrella progenitora tenía unas 100 veces la masa del Sol.
  • La supernova “Requiem” (2022): Captada por el telescopio espacial Hubble, esa supernova fue observada tres veces debido al efecto de lente gravitacional causado por un cúmulo de galaxias. Gracias a ello, los científicos pudieron predecir cuándo se vería una cuarta imagen, ofreciendo pistas sobre la expansión del universo.
  • La supernova más antigua y lejana: En el 2024, el telescopio espacial James Webb detectó supernovas del universo primitivo, aumentando nuestro conocimiento sobre cómo eran las primeras estrellas y galaxias.

Además de ser un espectáculo cósmico impresionante, las supernovas son esenciales para la vida tal como la conocemos en la Tierra. Los elementos pesados que conforman a los seres vivos, la Tierra y todo lo que nos rodea, se forjaron en esos cataclismos estelares y fueron esparcidos por el espacio para formar nuevas estrellas, planetas y, finalmente, vida. En resumen, una supernova es mucho más que una explosión: es el último acto de una estrella y el origen de muchos de los elementos que componen el universo, incluyéndonos a nosotros mismos.

Como dijo el astrofísico estadounidense Carl Sagan, somos “polvo de estrellas”. Y gran parte de ese polvo proviene de las supernovas. Los átomos de carbono en nuestros genes, el calcio en nuestros huesos y el hierro en nuestra sangre fueron creados en el corazón de estrellas que murieron hace miles de millones de años. Las supernovas no solo iluminan el cielo, sino que escriben la historia química del universo.

Referencias

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