La revolución de las supernovas tipo Ia en rayos-X

•  Título del artículo original: “X-ray Emission from SN 2012ca: A Type Ia-CSM Supernova Explosion in a Dense Surrounding Medium”
• Autores: Christopher D. Bochenek, Vikram V. Dwarkadas, Jeffrey M. Silverman y 4 otros
• Institución del primer autor: Universidad de Chicago e Instituto Tecnológico de California, Estados Unidos
• Estado de la publicación: Publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society el 23 de agosto de 2017.

Crédito de la imagen destacada: Galaxia espiral ESO 336-G009, a unos 260 millones de años luz, que alberga la supernova SN 2012ca Vikram Dwarkadas/Digitized Sky Survey

Las explosiones de supernova han sido eventos de gran interés en la historia de la astronomía. Hoy conocemos muchas cosas sobre los objetos astronómicos que dan lugar estos eventos, sabemos que hay distintos tipos de supernovas y comprendemos muchos de los mecanismos físicos que las gobiernan. La presencia de hidrógeno en sus espectros o el modo en cómo su luminosidad decae con el tiempo nos dan muchas pistas sobre el mecanismo que genera la explosión de supernova. Por ejemplo, cuando una estrella cuya masa supere ocho veces la del sol llega al final de su vida, su núcleo ya no es soportado mediante reacciones de fusión nuclear, por lo cual colapsa bajo su propia gravedad. Hay, sin embargo, una excepción a este mecanismo: las supernovas de tipo Ia se generan por la explosión termonuclear de una estrella enana blanca cuya temperatura se incrementa lo suficiente para iniciar la fusión de carbono. La luminosidad intrínseca de las supernovas tipo Ia se conoce con bastante precisión, y por esta razón se usan para calcular distancias en el universo y han servido para descubrir la expansión acelerada del universo.

Sí, sabemos mucho sobre supernovas, pero aún quedan piezas en este rompecabezas. Los autores del artículo que hoy analizamos reportan la primera detección de rayos-X provenientes de una supernova tipo Ia y estudian en detalle el medio que rodea al sistema progenitor de la supernova.

Apenas unas decenas de fotones que lo cambian todo

SN 2012ca es una supernova tipo Ia ubicada en la galaxia espiral ESO 336-G009 a unos 260 millones de años luz, que explotó en abril de 2012 y se estudió más o menos extensivamente en el rango óptico. Su espectro presenta características típicas de supernovas tipo Ia, pero también tiene líneas espectrales estrechas de hidrógeno superpuestas. Estas líneas estrechas sugieren velocidades mucho más lentas que a las que se expande la onda de choque de la explosión, y apuntan directamente a un medio denso que rodea al progenitor de la explosión de supernova. La razón entre las intensidades de las líneas de Balmer H-alfa y H-beta, el llamado decremento de Balmer, es muy alto, lo que apoya la existencia de un medio denso alrededor de la supernova. SN 2012ca no es la única supernova que exhibe estas características, sino que forma parte de un subtipo de supernova conocido como tipo Ia-CSM (del inglés “circumstellar medium”). Las supernovas tipo Ia-CSM alcanzan luminosidades más altas que las supernova tipo Ia normales y viven en galaxias espirales muy parecidas a nuestra Vía Láctea.

Hasta hoy más de 60 supernovas se han detectado en rayos-X, pero todas han sido el resultado del colapso nuclear. SN 2012ca viene a romper esta tendencia; ya que, siendo clasificada como tipo Ia-CSM, se detectó en rayos-X con el observatorio espacial Chandra 554 (época 1) y 745 (época 2) días después de la explosión. No se han detectado muchos fotones en rayos-X, apenas unas decenas, pero se ha podido extraer información muy valiosa de ellos. Para empezar, la alta luminosidad en rayos-X ya es indicativa de un medio denso. Además, los autores utilizan un método estadístico para modelar tan pocos datos y explorar qué posible valores de densidad y temperatura podrían caracterizar el medio que rodea a SN 2012ca. Los resultados de dicho método se muestran en la figura 1, en la que todos los modelos cuyo flujo no es al menos 90% del flujo registrado se han rechazado. Otras consideraciones, como el enfriamiento del volumen dentro de la onda de choque de la explosión o como que la densidad del medio debe ser menor en la época 2, permiten estimar unos valores de densidad de aproximadamente 4·10²² cm^-3 o una masa total del medio de unas 0.10 ± 0.05 masas solares.

Figura 1 (Figura 3 del artículo original): Gráfico de densidad (NH) frente a temperatura (kT) para todos los modelos capaces de reproducir el flujo en rayos-X. Aunque estadísticamente todos estos modelos son válidos, la densidad debería ser menor en la segunda época (puntos rojos) que en la primera época (puntos azules), lo que apunta a que solamente el área a la izquierda de la línea discontinua debe considerarse aceptable.

¿Seguro que ésta es una supernova tipo Ia?

La masa del medio circumestelar que se obtiene es muy grande, y no es fácil de explicar en el caso de supernovas que ocurren mediante explosión termonuclear, como es el caso de las tipo Ia. Por el contrario, si se tratara de otro tipo de supernova, el medio circumestelar podría originarse cuando se eyectan las capas externas de la estrella masiva. Las supernovas tipo Ia-CSM no son las únicas que exhiben líneas espectrales estrechas; las supernovas tipo IIn también. Además, siendo la luminosidad en rayos-X muy parecida a la de las supernovas tipo IIn (ver figura 2), cabe preguntarse si la clasificación de SN 2012ca es correcta.

Los autores del artículo argumentan que sí, que se trata de una supernova tipo Ia, aunque no pueden ser muy tajantes al respecto. Ciertos detalles de su curva de luz en el óptico encajan mejor con la clasificación como tipo Ia, y además el decremento de Balmer no se observa tan alto en las supernovas tipo IIn. Y tampoco es el único caso de supernova tipo Ia-CSM, sino que otras supernovas tipo Ia aparecen embebidas en medios muy densos.  Los autores proponen que en la SN 2012ca no todo el gas se está moviendo rápidamente y que los rayos-X se originan en una componente lenta que se mueve en un medio denso: podría tratarse de un disco, de un anillo, de restos de su fase de envoltura común, grumos o incluso el resultado de vientos estelares de otros sistemas cercanos. Con los datos que se tienen no se puede decir más. Y es que sabemos mucho sobre supernovas, pero aún quedan algunos misterios por desvelar.

Figura 2 (Figura 4 del artículo original): Comparación de las curvas de luz en rayos X para distintos tipos de supernova, es decir luminosidad frente al tiempo desde la explosión. La supernova SN 2012ca está representada por las dos estrellas negras, colocándola en el medio del rango de luminosidades típico de supernovas tipo IIn.