Los magnetar son algunos de los objetos más poderosos del universo, pero los astrónomos rara vez tienen la oportunidad de presenciar su nacimiento.
Cuando las estrellas masivas mueren, generalmente siguen un guion conocido. La estrella se queda sin combustible, su núcleo colapsa y las capas exteriores estallan en una brillante explosión llamada supernova. Con el tiempo, la luz se desvanece a medida que los restos en expansión se dispersan en el espacio.
Pero algunas explosiones estelares se niegan a seguir ese guion. Estos eventos, llamados supernovas superluminosas, brillan mucho más que las típicas. Pueden ser diez veces más brillantes que las supernovas ordinarias y permanecer visibles durante mucho más tiempo.
Durante años, los astrónomos debatieron qué podría alimentar una luz tan intensa y duradera.
Una nueva observación ha proporcionado una respuesta clara. Los astrónomos han sido testigos del nacimiento de un magnetar dentro de una de estas raras explosiones.
Los expertos notaron un patrón extraño en la luz que se desvanecía de la explosión: una señal repetitiva que describen como un “chirp”.
La intensa energía de los magnetar
Las supernovas superluminosas desconcertaron a los científicos poco después de que los investigadores comenzaran a detectarlas a principios de la década de 2000.
Las explosiones parecían demasiado brillantes para explicarse mediante el colapso habitual del núcleo de hierro de una estrella. Algo dentro de los restos parecía estar añadiendo energía adicional.
Hace años, los teóricos sugirieron un posible culpable: un magnetar, un tipo de estrella de neutrones con un campo magnético extremadamente fuerte.
Las estrellas de neutrones ya son algunos de los objetos más densos del universo, formados cuando una estrella masiva colapsa. Los magnetar llevan esos límites aún más lejos.
Estos restos compactos miden solo unos 32 kilómetros de diámetro, pero un magnetar recién formado puede girar más de 1.000 veces por segundo.
El campo magnético de un magnetar es cientos o miles de veces más potente que el campo de un púlsar ordinario, otro tipo de estrella de neutrones rotatoria.
La idea era simple. Si un magnetar recién nacido se encontrara dentro de los restos en expansión de una supernova, su intensa energía podría hacer chocar partículas cargadas con el material circundante. Esa interacción podría mantener la explosión brillando durante más tiempo y con más intensidad de lo normal.
Nuevas pistas en una poderosa explosión
La explicación del magnetar siguió siendo una teoría durante años. Los investigadores vieron indicios que la respaldaban, pero nadie había observado evidencia clara de que un magnetar se hubiera formado dentro de una explosión superluminosa.
Eso cambió después de que una supernova distante apareciera a finales de 2024. Joseph Farah, estudiante de posgrado de UC Berkeley, analizó de cerca el evento utilizando observaciones de la red global de 27 telescopios del Observatorio Las Cumbres.
La explosión, conocida como SN 2024afav, ocurrió a aproximadamente mil millones de años luz de la Tierra. Los telescopios rastrearon el brillo de la supernova durante más de 200 días.
Al principio, el evento se comportó como se esperaba. Su brillo aumentó y alcanzó un máximo unos 50 días después de la explosión. Entonces sucedió algo inusual.
En lugar de desvanecerse suavemente, la luz se hundió y se elevó varias veces. El patrón apareció como cuatro baches en la señal que se desvanecía. Cada bache llegó antes que el anterior.
Una señal que se aceleró con el tiempo
El inusual patrón de luz llamó la atención de Farah y sus colegas. Sugirió que algo dentro de la supernova estaba bloqueando o redirigiendo periódicamente la luz.
“Lo realmente emocionante es que esta es una evidencia definitiva de la formación de un magnetar como resultado del colapso del núcleo de una supernova superluminosa”, dijo Alex Filippenko, profesor de astronomía en UC Berkeley.
“La base del modelo de Dan Kasen y Stan Woosley es que todo lo que necesitas es la energía del magnetar en las profundidades y una buena fracción de ella se absorbe, y eso explicará por qué es superluminosa”.
“Lo que no se había demostrado era que un magnetar se formara realmente en medio de la supernova, y eso es lo que muestra el trabajo de Joseph”.
El patrón también apuntó a una explicación más profunda que involucra la gravedad misma. La sincronización de los baches de brillo se aceleró de una manera que coincidía con una predicción de la teoría de la relatividad general de Einstein.
“Probamos varias ideas, incluidos los efectos puramente newtonianos y la precesión impulsada por los campos magnéticos del magnetar, pero solo la precesión de Lense-Thirring coincidió perfectamente con la sincronización”, dijo Farah.
“Es la primera vez que la relatividad general es necesaria para describir la mecánica de una supernova”.
Cuando la relatividad entra en escena
El equipo de investigación cree que la supernova dejó atrás un magnetar que gira rápidamente rodeado de un disco de acreción hecho de material que cayó después de la explosión. Es probable que el disco no estuviera perfectamente alineado con la rotación del magnetar.
La relatividad general predice que un objeto que gira arrastra el espacio-tiempo consigo. En este caso, el magnetar giratorio haría que el disco oscilara. Los astrónomos llaman a este efecto precesión de Lense-Thirring.
A medida que el disco oscilaba, probablemente bloqueaba y reflejaba la luz proveniente del magnetar a intervalos regulares.
Con el tiempo, el disco se acercó a la estrella de neutrones. Ese movimiento hacia adentro hizo que el ciclo de oscilación se acelerara, produciendo el patrón inusual en la curva de luz.
“Durante años, la idea del magnetar se ha sentido casi como un truco de magia de un teórico: ocultar un poderoso motor detrás de capas de restos de supernova. Era una explicación natural para el brillo extraordinario de estas explosiones, pero no podíamos verlo directamente”, dijo Dan Kasen, astrofísico teórico de UC Berkeley.
“El chirrido en la señal de esta supernova es como ese motor que levanta el telón y revela que realmente está ahí”.
Medición del magnetar recién nacido
Las observaciones permitieron a los astrónomos estimar las propiedades clave del objeto formado en la explosión. La estrella de neutrones parece girar una vez cada 4,2 milisegundos. Esa rápida rotación es un rasgo típico de los magnetar jóvenes.
El campo magnético es aún más extremo. Los investigadores estiman que es unas 300 billones de veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra. Esa fuerza califica fácilmente al objeto como un magnetar.
“Creo que Joseph ha encontrado la prueba definitiva”, dijo Andy Howell, científico senior del Observatorio Las Cumbres. “Ha vinculado los baches al modelo de magnetar y ha explicado todo con la teoría más probada de la astrofísica: la relatividad general. Es increíblemente elegante”.
Filippenko enfatizó la importancia de ver la teoría de Einstein en funcionamiento en este entorno. “Ver un efecto claro de la teoría de la relatividad general de Einstein siempre es emocionante, pero verlo por primera vez en una supernova es especialmente gratificante”.
Los magnetar son solo parte de la historia
El descubrimiento no significa que todas las supernovas superluminosas provengan de un magnetar.
Algunas explosiones aún pueden brillar cuando las ondas de choque chocan contra el gas que rodea la estrella. En otros casos, el colapso de una estrella podría crear un agujero negro que alimente la luz.
“No sabemos qué fracción de las supernovas superluminosas de Tipo I podría ser alimentada por material circunestelar, pero definitivamente es una fracción más pequeña de lo que pensábamos anteriormente, porque este descubrimiento explica claramente algunas de ellas”, señaló Filippenko.
Los futuros telescopios revelarán muchos más ejemplos. El próximo Observatorio Vera C. Rubin realizará una encuesta masiva del cielo nocturno, capturando innumerables estrellas que explotan.
Farah espera que esa encuesta descubra docenas de eventos similares con la misma señal de chirrido.
“Esto es lo más emocionante en lo que he tenido el privilegio de participar. Es la ciencia que soñé cuando era niño”, dijo Farah. “Es el universo diciéndonos en voz alta y en nuestra cara que aún no lo entendemos completamente y desafiándonos a explicarlo”.
El estudio completo fue publicado en la revista Nature.
Crédito de la imagen: Joseph Farah y Curtis McCully, Observatorio Las Cumbres
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