Crédito de imagen: ESO
Los nuevos datos recopilados por el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo del Sur parecen indicar que las supernovas pueden no ser simétricas cuando explotan; su brillo cambia dependiendo de cómo se mire. Si son más brillantes o más tenues dependiendo de cómo los esté mirando, podría causar errores en sus cálculos de distancia. Pero la nueva investigación indica que se vuelven más simétricos con el tiempo, por lo que los astrónomos solo tienen que esperar un poco antes de hacer sus cálculos.
Un equipo internacional de astrónomos [2] ha realizado observaciones nuevas y muy detalladas de una supernova en una galaxia distante con el Very Large Telescope (VLT) de ESO en el Observatorio Paranal (Chile). Muestran por primera vez que un tipo particular de supernova, causada por la explosión de una "enana blanca", una estrella densa con una masa alrededor de la del Sol, es asimétrica durante las fases iniciales de expansión.
La importancia de esta observación es mucho mayor de lo que parece a primera vista. Este tipo particular de supernova, designado "Tipo Ia", juega un papel muy importante en los intentos actuales de mapear el Universo. Se ha supuesto durante mucho tiempo que las supernovas de tipo Ia tienen el mismo brillo intrínseco, lo que les ha valido el sobrenombre de "velas estándar".
Si es así, las diferencias en el brillo observado entre las supernovas individuales de este tipo simplemente reflejan sus diferentes distancias. Esto, y el hecho de que el brillo máximo de estas supernovas rivaliza con el de su galaxia madre, ha permitido medir distancias incluso de galaxias muy remotas. Algunas discrepancias aparentes que se encontraron recientemente han llevado al descubrimiento de la aceleración cósmica.
Sin embargo, esta primera observación clara de la asimetría de explosión en una supernova de Tipo Ia significa que el brillo exacto de dicho objeto dependerá del ángulo desde el que se ve. Dado que este ángulo es desconocido para cualquier supernova en particular, esto obviamente introduce una cantidad de incertidumbre en este tipo de mediciones de distancia básicas en el Universo que deben tenerse en cuenta en el futuro.
Afortunadamente, los datos de VLT también muestran que si espera un poco, lo que en términos de observación permite profundizar en la bola de fuego en expansión, entonces se vuelve más esférico. Por lo tanto, las determinaciones de distancia de las supernovas que se realizan en esta etapa posterior serán más precisas.
Explosiones de supernovas y distancias cósmicas
Durante los eventos de supernovas de Tipo Ia, los restos de estrellas con una masa inicial de hasta unas pocas veces la del Sol (las llamadas "estrellas enanas blancas") explotan, sin dejar nada más que una nube de "polvo de estrellas" en rápida expansión.
Las supernovas de tipo Ia son aparentemente bastante similares entre sí. Esto les proporciona un papel muy útil como "velas estándar" que pueden usarse para medir distancias cósmicas. Su brillo máximo rivaliza con el de su galaxia madre, por lo que los califica como los principales criterios cósmicos.
Los astrónomos han explotado esta circunstancia afortunada para estudiar la historia de expansión de nuestro Universo. Recientemente llegaron a la conclusión fundamental de que el Universo se está expandiendo a un ritmo acelerado, cf. ESO PR 21/98, diciembre de 1998 (véase también la página web Supernova Acceleration Probe).
La explosión de una estrella enana blanca
En los modelos más ampliamente aceptados de supernovas de tipo Ia, la estrella enana blanca antes de la explosión orbita una estrella compañera similar al sol, completando una revolución cada pocas horas. Debido a la estrecha interacción, la estrella compañera pierde masa continuamente, parte de la cual es recogida (en terminología astronómica: "acrecentada") por la enana blanca.
Una enana blanca representa la penúltima etapa de una estrella de tipo solar. El reactor nuclear en su núcleo se ha quedado sin combustible hace mucho tiempo y ahora está inactivo. Sin embargo, en algún momento el peso de montaje del material acumulado habrá aumentado tanto la presión dentro de la enana blanca que las cenizas nucleares allí se encenderán y comenzarán a arder en elementos aún más pesados. Este proceso rápidamente se descontrola y toda la estrella se hace pedazos en un evento dramático. Se ve una bola de fuego extremadamente caliente que a menudo eclipsa a la galaxia anfitriona.
La forma de la explosión
Aunque todas las supernovas de Tipo Ia tienen propiedades bastante similares, hasta ahora nunca ha estado claro cuán similar sería este evento para los observadores que lo ven desde diferentes direcciones. Todos los huevos se ven similares e indistinguibles entre sí cuando se ven desde el mismo ángulo, pero la vista lateral (ovalada) es obviamente diferente de la vista final (redonda).
Y, de hecho, si las explosiones de supernovas de Tipo Ia fueran asimétricas, brillarían con diferente brillo en diferentes direcciones. Por lo tanto, las observaciones de diferentes supernovas, vistas desde diferentes ángulos, no se pudieron comparar directamente.
Sin embargo, al no conocer estos ángulos, los astrónomos inferirían distancias incorrectas y la precisión de este método fundamental para medir la estructura del Universo estaría en duda.
Polarimetria al rescate
Un cálculo simple muestra que incluso para los ojos de águila del interferómetro VLT (VLTI), todas las supernovas a distancias cosmológicas aparecerán como puntos de luz no resueltos; simplemente están demasiado lejos. Pero hay otra forma de determinar el ángulo en el que se ve una supernova particular: ¡polarimetría es el nombre del truco!
La polarimetría funciona de la siguiente manera: la luz está compuesta de ondas electromagnéticas (o fotones) que oscilan en ciertas direcciones (planos). La reflexión o dispersión de la luz favorece ciertas orientaciones de los campos eléctricos y magnéticos sobre otras. Es por eso que las gafas de sol polarizadas pueden filtrar el brillo de la luz solar que se refleja en un estanque.
Cuando la luz se dispersa a través de los escombros en expansión de una supernova, retiene información sobre la orientación de las capas de dispersión. Si la supernova es esféricamente simétrica, todas las orientaciones estarán presentes por igual y se promediarán, por lo que no habrá polarización neta. Sin embargo, si la carcasa de gas no es redonda, se imprimirá una ligera polarización neta en la luz.
"Incluso para asimetrías bastante notables, sin embargo, la polarización es muy pequeña y apenas supera el nivel del uno por ciento", dice Dietrich Baade, astrónomo de ESO y miembro del equipo que realizó las observaciones. “Medirlos requiere un instrumento que sea muy sensible y muy estable. "
La medición en las fuentes de luz tenues y distantes de las diferencias en un nivel de menos del uno por ciento es un desafío de observación considerable. "Sin embargo, el Very Large Telescope (VLT) de ESO ofrece la precisión, el poder de captación de luz, así como la instrumentación especializada requerida para una observación polarimétrica tan exigente", explica Dietrich Baade. “Pero este proyecto no hubiera sido posible sin el VLT funcionando en modo de servicio. De hecho, es imposible predecir cuándo explotará una supernova y debemos estar preparados todo el tiempo. Solo el modo de servicio permite observaciones a corto plazo. Hace algunos años, fue una decisión con visión de futuro y valiente por parte de la dirección de ESO poner tanto énfasis en el modo de servicio. Y fue el equipo de astrónomos competentes y dedicados de ESO en Paranal quienes hicieron de este concepto un éxito práctico ”, agrega.
Los astrónomos [1] utilizaron el instrumento FORS1 multimodo VLT para observar SN 2001el, una supernova de Tipo Ia que fue descubierta en septiembre de 2001 en la galaxia NGC 1448, cf. Foto de relaciones públicas 24a / 03 a una distancia de 60 millones de años luz.
Las observaciones obtenidas aproximadamente una semana antes de que esta supernova alcanzara el brillo máximo alrededor del 2 de octubre revelaron polarización a niveles de 0.2-0.3% (Foto PR 24b / 03). Cerca de la luz máxima y hasta dos semanas después, la polarización aún era medible. Seis semanas después del máximo, la polarización había caído por debajo de la detectabilidad.
Esta es la primera vez que se descubre que una supernova de tipo Ia normal exhibe una evidencia tan clara de asimetría.
Mirando más profundamente en la supernova
Inmediatamente después de la explosión de supernova, la mayor parte de la materia expulsada se mueve a velocidades de alrededor de 10,000 km / seg. Durante esta expansión, las capas más externas se vuelven progresivamente más transparentes. Con el tiempo, uno puede mirar más y más profundamente en la supernova.
Por lo tanto, la polarización medida en SN 2001el proporciona evidencia de que las partes más externas de la supernova (que se ven por primera vez) son significativamente asimétricas. Más tarde, cuando las observaciones de VLT "penetran" más profundamente hacia el corazón de la supernova, la geometría de la explosión es cada vez más simétrica.
Si se modela en términos de una forma esferoidal aplanada, la polarización medida en SN 2001el implica una relación de eje menor a mayor de alrededor de 0.9 antes de alcanzar el brillo máximo y una geometría esféricamente simétrica desde aproximadamente una semana después de este máximo y en adelante.
Implicaciones cosmológicas
Uno de los parámetros clave en los que se basan las estimaciones de distancia de Tipo Ia es el brillo óptico al máximo. La asfericidad medida en este momento introduciría una incertidumbre absoluta de brillo (dispersión) de aproximadamente 10% si no se realizara corrección para el ángulo de visión (que no se conoce).
Si bien las supernovas de tipo Ia son, con mucho, las mejores velas estándar para medir distancias cosmológicas y, por lo tanto, para investigar la llamada energía oscura, persiste una pequeña incertidumbre de medición.
"La asimetría que hemos medido en SN 2001el es lo suficientemente grande como para explicar una gran parte de esta incertidumbre intrínseca", dice Lifan Wang, el líder del equipo. “Si todas las supernovas de Tipo Ia son así, explicaría gran parte de la dispersión en las mediciones de brillo. Pueden ser incluso más uniformes de lo que pensábamos ".
Por supuesto, la reducción de la dispersión en las mediciones de brillo también podría lograrse aumentando significativamente el número de supernovas que observamos, pero dado que estas mediciones demandan los telescopios más grandes y caros del mundo, como el VLT, este no es el método más eficiente.
Por lo tanto, si el brillo medido una o dos semanas después de que se usó el máximo, la esfericidad se habría restablecido y no habría errores sistemáticos desde el ángulo de visión desconocido. Por este ligero cambio en el procedimiento de observación, las supernovas de tipo Ia podrían convertirse en criterios cósmicos aún más confiables.
Implicaciones teóricas
La detección actual de características espectrales polarizadas sugiere fuertemente que, para comprender la física subyacente, el modelado teórico de los eventos de supernovas de Tipo Ia tendrá que hacerse en las tres dimensiones con más precisión de la que se hace actualmente. De hecho, los cálculos hidrodinámicos altamente complejos disponibles hasta ahora no han podido reproducir las estructuras expuestas por SN 2001el.
Más información
Los resultados presentados en este comunicado de prensa han sido descritos en un artículo de investigación en "Astrophysical Journal" ("Espectropolarimetría de SN 2001el en NGC 1448: Asfericidad de una supernova de tipo normal Ia" por Lifan Wang y coautores, Volumen 591, p 1110).
Notas
[1]: Este es un ESO coordinado / Lawrence Berkeley National Laboratory / Univ. del comunicado de prensa de Texas. El comunicado de prensa de LBNL está disponible aquí.
[2]: El equipo está formado por Lifan Wang, Dietrich Baade, Peter Hülich, Alexei Khokhlov, J. Craig Wheeler, Daniel Kasen, Peter E. Nugent, Saul Perlmutter, Claes Fransson y Peter Lundqvist.
Fuente original: Comunicado de prensa de ESO
