• Título original: Inferring the core-collapse supernova explosion mechanism with gravitational waves
• Autores: Jade Powell, Sarah E. Gossan, Joshua Logue, and Ik Siong Heng
• Institucion del primer autor: University of Glasgow, Physics and Astronomy, Kelvin Building, Glasgow, Lanarkshire G12 8QQ, Reino Unido.
• Estado del trabajo: publicado en arXiv el 18 de octubre de 2016.

Hace mas de ochenta años que Baade y Zwicky propusieron que las supernovas de colapso-de-núcleo (“core-collapse supernovae” CCSNe por sus siglas en inglés), son el resultado de la transformación de  una estrella masivas a una estrella de neutrones cuando ésta llega al final de su vida. Aún hoy en día seguimos sin saber precisamente como procede la explosión del núcleo de las estrellas, sobre todo porque es un proceso muy difícil de observar dado que la explosión comienza en el interior de la estrella y la información que recibimos al observar esta explosión, proviene sólo de las capas más externas de la estrella. En este artículo, los autores sugieren que la detección de ondas gravitacionales generadas durante la explosión del núcleo de la estrella, puede abrir una ventana para entender cómo sucede este proceso.

Las estrellas entre 8 y 10 masas solares (M_sun) llegan a formar núcleos principalmente de hierro con electrones degenerados. Esto significa que debido a la gran presión a la que se encuentran sometidos estos núcleos estelares, los electrones se repelen unos a otros gracias al principio de exclusión de Paulí y no a la presión térmica del gas. De esta manera, el núcleo de la estrella evita el colapso gracias a la repulsión de los electrones. Sin embargo, si la masa del núcleo continúa creciendo, también crecerá la atracción gravitacional y la presión. Cuando el núcleo de hierro supera una masa límite, conocida como la masa de Chandrasekhar, los electrones degenerados ya no son capaces de soportar el núcleo estelar y éste comienza a colapsar gravitacionalmente. En este momento nos sumergimos en un terreno poco conocido, de materia exótica, donde entendemos muy poco cómo se comporta la materia a tan altas densidades, presiones y temperaturas. La teoría propone que a medida que el núcleo se contrae y la densidad continúa aumentando, hasta que el núcleo estelar se solidifica instantáneamente. Dado que hay una gran cantidad de material colapsando rápidamente en dirección del núcleo, este material se va a chocar con el núcleo sólido como si fuese una pared. Esto genera una onda de choque que viaja en dirección radial hacia fuera de la estrella. Esta onda de choque proporciona el impulso necesario al material envolviendo el núcleo para hacerlo “explotar”. Sin embargo esta onda de choque pierde energía rápidamente, la cual es radiada en forma de neutrinos o utilizada por los electrones para recombinarse con protones y formar neutrones. Si esta onda de choque no es reanimada rápidamente, el colapso del material envoltorio no se puede detener, la estrella no explotará sino que implosionará y el remanente de esta estrella será un agujero negro. Capturar una señal del proceso que sea capaz de revivir esta onda de choque es exactamente lo que proponen los autores de este artículo.

El colapso del núcleo de una estrella masiva, CCSNE, es considerado como una fuente potencial de ondas gravitacionales, las cuales podrían ser observadas con los nuevos detectores como “Advanced Ligo (aLIGO)”  y “Advanced Virgo (AdVirgo)“. Señales provenientes de CCSNe en nuestra Galaxia e incluso en la Gran Nube de Magallanes, podrían ser observadas con estos detectores. Sin embargo no es recomendable sentarse a esperar que una de estas explosiones suceda, dado que su frecuencia estimada en la Galaxia es alrededor de 2-3 CCSNE cada 100 años. Dado el caso que detectemos la señal de una de estas explosiones de supernova, sería posible utilizar herramientas estadísticas para predecir el mecanismo de explosión al interior de una estrella. Para esto, los autores utilizan el algoritmo llamado “Supernova Model Evidence Extractor (SMEE)” explicado en otra publicación del mismo grupo.

Los posibles mecanismos de explosión

Mecanismo magneto-rotacional :

Gracias a la conservación del momento angular, a medida que el núcleo colapsa este empieza a rotar más rápidamente. Por esta razón, los núcleos estelares que están a punto de colapsar y rotan con periodos de ~1 segundo, forman estrellas de neutrones con periodos de milisegundos. Estos objectos compactos y que giran tan rápidamente tienen energias rotacionales de hasta ~10⁵² erg, que supone sólo una fracción de la energía necesaria para explotar una supernova.

La teoría y las simulaciones muestran que los procesos de explosión magneto-rotacionales, son capaces de  extraer eficientemente energía de la rotación del núcleo y utilizarla en la explosión de la estrella, eventos en los cuales los fortísimos campos magnéticos juegan un papel determinante. A medida que la estrella colapsa, el campo magnético es amplificado de dos formas: primero la contracción del flujo magnético a volúmenes cada vez mas pequeños y segundo la amplificación del campo magnético debido a la torsión de las líneas de campo causado por la rotación del núcleo.

La amplificación del campo magnético debido a este retorcimiento de las líneas de campo sucederá después de que el núcleo se haya solidificado y las capas exteriores hayan “rebotado” contra el núcleo sólido. Por esta razón, las señales de ondas gravitacionales generadas por CCSNe estarán dominadas por una señal fuerte en el momento en el que el material “rebota”, seguidos por una serie de oscilaciones de este núcleo sólido, que en este momento ya es considerado una proto-estrella de neutrones. La Figura 1 muestra una representación gráfica de como en una estrella como el sol, un campo magnético inicialmente poloidal, puede ser retorcido y deformado hasta conseguir un campo magnético principalmente toroidal.

Figura 1: Representación gráfica de el proceso de retorcimiento de las lineas de campo magnético debido a la rotación del núcleo de una estrella. Figura 1 de Sabrina Sanchez et. al. 2014.

Figura 2: modelo representativo de una señal de ondas gravitacionales generada durante la explosión de una supernova, alimentada por el mecanismo magneto-rotacional.

La Figura 2, muestra la señal característica de una explosión impulsada por el proceso magneto-rotacional. Para una explosión a 10 kpc de distancia, se puede medir una señal de deformación alrededor de ~10^-21 – 10^-20. Estos eventos emiten una energía de hasta ~10^-10 – 10^-8 M_sun en forma de ondas gravitacionales (recordemos que la energía del evento se puede medir en cuánta masa hay que transformar en energía). La mayoría de la energía es emitida en una pequeña ventana de frecuencias, entre 500-800 Hz, en una escala de tiempo de decenas de milisegundos.

Supernova impulsada por neutrinos:

Durante el colapso del núcleo de hierro, aproximadamente 3·10⁵³ erg de energía son liberados. El 99% de esta energía es transportada por neutrinos los cuales escapan fácilmente de la estrella. Sin embargo, si una pequeña fracción de la energía liberada en neutrinos es reabsorbida por la onda de choque que se expande en la dirección radial, esta recuperaría la energía necesaria para alimentar la explosión.

Figura 3: modelo representativo de una señal de ondas gravitacionales generada durante la explosión de una supernova, alimentada por el mecanismo convección impulsada por neutrinos e inestabilidades de onda de choque.

La señal de las ondas gravitacionales generadas por este proceso estarían dominadas por convección turbulenta e inestabilidades en la onda de choque. Inmediatamente después del “rebote”, se observa una primera ráfaga de emisión de ondas gravitacionales, debido a una convección temprana. Sin embargo la señal de las ondas gravitacionales decae en una escala de tiempo de ~100 milisegundos, hasta que las inestabilidades en la onda de choque, generada en el “rebote”, empiezan a crecer de forma no-lineal.

Las ondas gravitacionales emitidas en este proceso cubren una ventana de frecuencias muy amplia, entre 100 – 1100 Hz. Una de estas señales duran alrededor de ~0.3 – 2 segundos y alcanzan un pico de detección de ~10^-22 para una fuente a 10 kpc de distancia. La energía radiada en explosiones impulsadas por neutrinos es del orden de 10^-11 – 10^-9 M_sun

Diferenciando el mecanismo de explosión:

Conociendo las señales de las ondas gravitacionales emitidas por los mecanismos de explosión, magneto-rotacional e impulsado por neutrinos, los autores compilan catálogos de explosiones y simulan observaciones sintéticas de ondas gravitacionales para diferentes eventos a 2, 10 y 20 kpc. El algoritmo de SMEE concluye que es posible detectar ondas gravitacionales para ambos mecanismos de explosión y que es posible diferenciar entre los mecanismos de explosión para distancias hasta 10 kpc. Que tan bien puede el SMEE diferenciar entre los mecanismos depende si se mide una señal o no. Para distancias de 20 kpc, la señal observada para el mecanismo impulsado por neutrinos es muy débil, por lo cual es poco probable reconocerla sobre el ruido de fondo, sin embargo para explosiones impulsadas por el mecanismo magneto-rotacional, es posible detectar señales a distancias de 20 kpc y determinar la naturaleza de esta explosión.

Finalmente, se generaron observaciones sintéticas para explosiones impulsadas por el mecanismo magneto-rotacional a 50 kpc de distancia (distancia a la Gran Nube de Magallanes). De 1280 observaciones sintéticas, 707 detecciones midieron una señal no suficientemente fuerte para determinar el mecanismo de explosión. De la misma manera, se observaron observaciones sintéticas de explosiones impulsadas por neutrinos, pero no fue posible detectar ninguna de estas señales.

En conclusión:

Hasta ahora no se han medido las ondas gravitacionales generadas en explosiones de supernova, pero con la nueva generación de detectores, es posible que estas señales se puedan detectar. El algoritmo SMEE ha sido diseñado para medir parámetros en señales de ondas gravitacionales generadas por una explosión de supernova de tipo colapso de núcleo. Detectar estas ondas gravitacionales y detectar el mecanismo de explosión, abre una ventana para endenter la física de las explosiones de supernova, hasta ahora invisible para la exploración con telescopios convencionales.

En este artículo, los autores han demostrado que si una de estas señales llega a ser medida, sería posible determinar el mecanismo de explosión, magneto-rotacional o impulsado por neutrinos, para distancias hasta de 10 kpc. Para distancias mayores, hasta 20 kpc, sería posible observar y determinar si la explosión ha sido generada por el mecanismo magneto-rotacional, pero casi imposible de observar si la explosión ha sido alimentada por neutrinos.