Un estudio internacional, en el que participan investigadores del Gran Telescopio Canarias (GTC o Grantecan) afiliados al Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), ha descubierto la primera estrella explosiva de su tipo, cuya existencia, hasta ahora, era solo teórica. El hallazgo se publica hoy en la revista Nature.

Hasta hace unos años, el descubrimiento de una supernova -la explosión de una estrella muy masiva, generalmente en el momento final de su vida- se consideraba un evento raro. Hoy en día, los avanzados instrumentos de medición y los métodos de análisis permiten detectar cincuenta explosiones de este tipo a diario, lo que ha facilitado que los investigadores sean capaces de detectar tipos anómalos de explosiones que hasta ahora sólo existían como construcciones teóricas.

Recientemente, un equipo internacional de científicos, liderado por el investigador Avishay Gal-Yam, del Departamento de Física de Partículas y Astrofísica del Instituto Weizmann, ha descubierto una supernova que nunca antes se había observado. Se trata de una explosión originada en una estrella Wolf-Rayet, un tipo de estrella masiva muy evolucionada que sufre grandes pérdidas de masa debido a intensos vientos estelares.

Evolución de las estrellas Wolf-Rayet

El núcleo de toda estrella se alimenta de la fusión nuclear, en la que los elementos más ligeros se fusionan para formar elementos más pesados. La energía producida en el interior de la estrella mantiene temperaturas extremadamente altas que hacen que su materia gaseosa se expanda, manteniendo así un fino equilibrio con la fuerza de la gravedad que atrae la masa de la estrella hacia su centro. Cuando la estrella se queda sin elementos para fusionar y deja de producir energía, este equilibrio se rompe, dando lugar a un enorme agujero negro, que la hace colapsar sobre sí misma, o a la explosión de la estrella, que libera en el Universo los elementos fusionados durante su evolución.

La vida de las estrellas masivas se considera relativamente corta, unos pocos millones de años como máximo. El Sol, en comparación, tiene una esperanza de vida de unos 10.000 millones de años. Los procesos posteriores de fusión nuclear en el núcleo de las estrellas masivas conducen a su estratificación, en la que los elementos pesados se concentran en el núcleo y, gradualmente, los elementos más ligeros componen las capas exteriores.

Las estrellas Wolf-Rayet son estrellas especialmente masivas a las que les faltan una o varias de las capas externas compuestas por elementos más ligeros. De este modo, en lugar de hidrógeno -el elemento más ligero- la superficie de la estrella se caracteriza por la presencia de helio o, incluso, de carbono y elementos más pesados. Una posible explicación de este fenómeno es que los fuertes vientos que soplan debido a la alta presión en la envoltura de la estrella, dispersan su capa más externa, lo que hace que pierda una capa tras otra durante varios cientos de miles de años.

La primera estrella explosiva de su tipo

A pesar de su vida relativamente corta y de su estado de desintegración progresiva, el análisis del creciente número de descubrimientos de supernovas hacía sospechar a los investigadores que las estrellas Wolf-Rayet simplemente no explotan, sino que colapsan silenciosamente en agujeros negros; de lo contrario, se habría podido observar una. Esta hipótesis, sin embargo, acaba de ser desmontada gracias al reciente descubrimiento.

El análisis espectroscópico de la luz emitida por la explosión permitió descubrir huellas espectrales que están asociadas a elementos específicos. De este modo, los investigadores pudieron demostrar que la explosión contenía átomos de carbono, oxígeno y neón. Este último elemento no se había observado en ninguna supernova hasta la fecha. Además, los investigadores identificaron que la materia que emite la radiación cósmica no participó por sí misma en la explosión, sino que se originó en el espacio que rodeaba a la estrella que estalló. Esto, a su vez, reforzó la hipótesis a favor de los fuertes vientos que despojaron a la estrella de su envoltura exterior.

Dado que esta observación es la primera de este tipo, Gal-Yam afirma que puede ser demasiado pronto para determinar de forma inequívoca el destino de todas estas estrellas: "No podemos decir en este momento si todas las estrellas Wolf-Rayet terminan su vida con una explosión o no. Podría ser que algunas de ellas colapsen silenciosamente en un agujero negro".

Los investigadores estiman que la masa que se dispersó durante la explosión es probablemente igual a la del Sol o a la de una estrella ligeramente más pequeña. Sin embargo, la estrella que explotó era significativamente más pesada, con una masa, al menos, diez veces mayor que la del Sol, por lo que los científicos se preguntan dónde fue a parar la mayor parte de la masa.

Gal-Yam sugiere un escenario intermedio, en el que ambos destinos posibles se cumplen al mismo tiempo: una vez agotada la fusión nuclear en el núcleo de la estrella, se produce una explosión que lanza parte de la masa al espacio, mientras que la masa restante colapsa sobre sí misma, formando un agujero negro. "Una cosa es cierta, este no es el 'colapso silencioso’ del que se hablaba en el pasado", destaca el investigador.

En el estudio se han utilizado observaciones realizadas con diferentes telescopios, entre ellos el Gran Telescopio Canarias (GTC o Grantecan) ubicado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma). Para Antonio Cabrera Lavers, jefe de operaciones científicas de Grantecan e investigador afiliado del IAC que ha participado en el estudio, “cabe mencionar que, desde que se hizo este descubrimiento, se ha observado otra explosión similar de una estrella Wolf-Rayet, lo que implica que este fenómeno no es, en efecto, un suceso único”.

Por su parte, David García Álvarez, coautor del artículo y astrónomo de Grantecan afiliado al IAC, considera que “es posible que cuanto mejor sean nuestros instrumentos de detección y medición, este tipo de explosiones, hoy consideradas raras y exóticas, se conviertan en algo común".

Antonio Marante Barreto, operador de telescopio en Grantecan que también ha participado en las observaciones, subraya: “Las supernovas pueden parecer acontecimientos colosales que ocurren muy, muy lejos y que no tienen un impacto directo en nuestras vidas, pero, a decir verdad, están en el corazón de la vida misma; el planeta Tierra y todas sus formas de vida, incluidos nosotros, son el resultado de tal acontecimiento”.

El Gran Telescopio Canarias y los Observatorios del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) forman parte de la red de Infraestructuras Científicas y Técnicas Singulares (ICTS) de España.
 

Artículo: A. Gal-Yam et al: “A WC/WO star exploding within an expanding carbon-oxygen-neon nebula”, Nature, enero 2022. DOI: 10.1038/s41586-021-04155-1

Contacto en el IAC:
Antonio Cabrera, antonio.cabrera [at] gtc.iac.es (antonio[dot]cabrera[at]gtc[dot]iac[dot]es)
David García, david.garcia [at] gtc.iac.es (david[dot]garcia[at]gtc[dot]iac[dot]es)