¿Por qué no explotará la supernova?

15 de junio de 2012:  En algún sitio de la Vía Láctea, una antigua estrella masiva está a punto de protagonizar una muerte espectacular. A medida que su combustible líquido se agota, la estrella comienza a colapsar bajo su propio y tremendo peso. La aplastante presión dispara nuevas reacciones nucleares, lo cual prepara el escenario para una explosión impresionante. Y luego... nada sucede.
Al menos eso es lo que las supercomputadoras han estado prediciendo a los astrofísicos durante décadas. Muchos de los mejores modelos de supernovas realizados por computadora no pueden producir una explosión. Al final de la simulación, gana la gravedad y la estrella simplemente colapsa.
Claramente, a los físicos les falta conocer algo.

 

 Un nuevo video ScienceCast explica cómo el observatorio NuSTAR, de la NASA, explorará el misterio de las estrellas que explotan. Descargar el video

"Todavía no entendemos por completo cómo funcionan las supernovas de estrellas masivas", dice Fiona Harrison, una astrofísica del Instituto de Tecnología de California.
Para entender qué está sucediendo, a Harrison y a sus colegas les gustaría examinar el interior de una supernova real mientras está explotando. Pero eso no es posible; de modo que pasan al siguiente plan.
Utilizando un telescopio denominado "NuSTAR" (acrónimo de Nuclear Spectroscopic Telescope Array, en idioma inglés o Telescopio Espectroscópico Nuclear, en idioma español), ellos explorarán los residuos de supernovas lo antes posible, después de la explosión.
Lanzado sobre el Océano Pacífico, el 13 de junio de 2012, mediante un cohete Pegasus XL, NuSTAR es el primer telescopio espacial que puede enfocar rayos X de muy alta energía, produciendo de este modo imágenes que son 100 veces más nítidas que las que se podían captar con los anteriores telescopios para rayos X de alta energía
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Un modelo de una supernova cuyo núcleo gira y colapsa creado por medio de una supercomputadora. Las observaciones llevadas a cabo por NuSTAR de remanentes reales de una supernova proporcionarán datos vitales para dichos modelos. Crédito: Fiona Harrison

Cuando finalicen las revisiones de NuSTAR y éste funcione con todas sus capacidades, los científicos lo utilizarán con el fin de rastrear supernovas para hallar pistas grabadas en el patrón de los elementos diseminados a través de los residuos de la explosión.
"La distribución del material en un remanente de supernova dice mucho sobre la explosión original", explica Harrison.
Un elemento de particular interés es el titanio-44. La creación de este isótopo de titanio a través de la fusión nuclear requiere una cierta combinación de energía, presión y materias primas. Dentro de la estrella que colapsa, esa combinación tiene lugar a una profundidad que es muy especial. Todo lo que se encuentre debajo de esa profundidad sucumbe a la gravedad y colapsa hacia el interior para formar un agujero negro. Todo lo que se encuentre por encima de esa profundidad saldrá despedido hacia afuera en la explosión. El titanio-44 se origina justo en la cúspide.
De modo que el patrón de cómo el titanio-44 se esparce a través del remanente de una supernova puede revelar mucha información respecto de lo que sucedió en ese umbral límite durante la explosión. Y con esa información, los científicos podrían descifrar qué es lo que no funciona en las simulaciones creadas por computadora.
Algunos científicos consideran que los modelos realizados en computadora son demasiado simétricos. Hasta hace poco tiempo, incluso con poderosas supercomputadoras, los científicos únicamente habían podido simular un corte unidimensional de la estrella. Ellos simplemente suponen que el resto de la estrella se comporta de manera similar y crean la simulación de la implosión igual en todas las direcciones radiales.
Pero... ¡y si esa suposición está equivocada?

 

El telescopio NuSTAR confeccionará un mapa de la distribución del titanio-44 en remanentes de una supernova como esta, Casiopea A, para buscar evidencia de asimetrías.

"Las asimetrías podrían ser la clave", dice Harrison. En un colapso asimétrico, las fuerzas que actúan en dirección hacia afuera podrían abrirse paso en algunos lugares aun cuando el aplastamiento de la gravedad domine en otros. Pero, más recientemente, las simulaciones en dos dimensiones sugieren que las asimetrías podrían ayudar a resolver el misterio de la "supernova que no explota".
Si el telescopio NuSTAR descubre que el titanio-44 no se esparce de manera uniforme, eso sería evidencia de que las explosiones mismas también eran asimétricas, explica Harrison.
Para detectar titanio-44, NuSTAR necesita poder enfocar rayos X de muy alta energía. El titanio-44 es radioactivo y cuando se descompone libera fotones con una energía de 68 mil electronvoltios. Los actuales telescopios espaciales para detectar rayos X, como el Observatorio Chandra de Rayos X, de la NASA, pueden enfocar rayos X únicamente hasta aproximadamente 15 mil electronvoltios.
Las lentes normales directamente no pueden enfocar rayos X. El vidrio dobla los rayos X sólo mínimamente, lo cual no resulta suficiente como para formar una imagen.
Los telescopios para detectar rayos X utilizan una clase totalmente diferente de "lentes", que están compuestas de muchas capas concéntricas. Se parecen a las capas de una cebolla cilíndrica.

 

 El "trayecto de la luz" de un rayo X de la cámara EPIC, del satélite XMM-Newton; un diseño similar al utilizado por NuSTAR. Crédito: ESA/ESTEC. [Más información] Referencias: X-Rays: Rayos X; Doubly-reflected X-Rays: Rayos X doblemente reflejados; Focal Surface: Superficie focal; Focal length: Longitud focal.

Los rayos X que ingresan pasan entre estas capas, las cuales los guían a hacia la superficie focal. No se trata de una lente, estrictamente, porque los rayos X reflejan las superficies de las capas en vez de atravesarlas, pero el resultado es el mismo al final.
El equipo del telescopio NuSTAR ha pasado años perfeccionando las delicadas técnicas de fabricación que se requieren para crear las ópticas de rayos X de alta precisión con el fin de que el telescopio NuSTAR funcione a energías tan altas como 79 mil electronvoltios.
Sus esfuerzos podrían dar como resultado la respuesta a la pregunta: "¿Por qué no explotará la supernova?"¹