Astrobitos terroríficos: ¿podría matarnos una kilonova?

Datos del artículo científico del que hablaremos en este astrobito:

• Título: Could a Kilonova Kill: a Threat Assessment
• Autoría: Haille M. L. Perkins, John Ellis, Brian D. Fields, Dieter H. Hartmann, Zhenghai Liu, Gail C. McLaughlin, Rebecca Surman, Xilu Wang
• Instituciones de la primera autora: Dpto. Astronomía de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign), Illinois Center for Advanced Studies of the Universe (Universidad de Illinois Urbana-Champaign) y Center for Astrophysical Surveys (National Center for Supercomputing Applications).
• Estado: de acceso abierto en arXiv.

Seguramente les suene el término “estrella de neutrones”: el remanente estelar de una estrella supermasiva que terminó su combustible y explotó como supernova. En ocasiones, dos de estas estrellas de neutrones viven juntas en el Universo, y pueden terminar fusionándose en lo que se conoce como kilonova. Noten que aunque ambas palabras acaban en “nova” (término que usamos en astronomía para referirnos a un brillo “nuevo” en el cielo), se trata de dos fenómenos completamente distintos: las supernovas, mucho más brillantes, ocurren al final de la vida de una estrella; mientras las kilonovas se refieren a la fusión de los remanentes estelares, siendo mucho menos brillantes (Figura 1). Pero ambos fenómenos podrían ser potencialmente letales para la vida en la Tierra. Todo depende de la distancia.

De hecho, existen estimaciones sobre la distancia a la que tendría que ocurrir una supernova para suponer una amenaza, pero este asunto ha sido mucho menos estudiado en las fusiones de estrellas de neutrones. Así que el artículo del que hablaremos hoy lidia con la cuestión de la letalidad de estos fenómenos.

Lo primero es determinar qué es exactamente lo que supone una amenaza de las kilonovas: su radiación, ya sea rayos-x, rayos gamma (γ) o rayos cósmicos (luego veremos por qué). Y todos estos tipos de radiación pueden emitirse en una kilonova.

Repasemos entonces este fenómeno (Figura 1): dos estrellas de neutrones se orbitan mutuamente, acercándose mediante trayectorias espirales que producen ondas gravitacionales. Tras la fusión, se eyecta gran cantidad de masa y radiación. En concreto, el artículo del que hablaremos hoy se centra en tres aspectos:

• Chorros o “jets” (Figura 2, izquierda): es una emisión de radiación muy focalizada, en forma de dos chorros. Estos emiten rayos-γ, lo que se ha identificado como “explosiones cortas de rayos-γ” (sGRB, por sus siglas en inglés). A medida que pasa el tiempo, la eyección interacciona con el medio interestelar, se extiende y genera un “brillo residual” (afterglow) en otras longitudes de onda, como rayos-x.
• Kilonova (Figura 2, izquierda): también se eyecta materia de forma más o menos esférica, la “kilonova” propiamente dicha. Se trata de partículas ricas en neutrones, que pueden emitir radiación como rayos-γ. De hecho, el nombre refleja que su brillo es unas 1000 veces el de una nova.
• Remanente (Figura 2, derecha): miles de años después de la fusión, la materia eyectada ha generado una especie de enorme burbuja en el medio interestelar, que produce rayos cósmicos.

¿Qué consecuencias tendría para la Tierra?

El equipo científico firmante del artículo se interesa por determinar la letalidad de estas emisiones. En concreto, las que tendrían alguna consecuencia para la Tierra: rayos-x, rayos-γ o rayos cósmicos. Sin embargo, en principio este tipo de radiación es detenida por la atmósfera y no puede llegar a la superficie de la Tierra. Entonces, ¿cuál es el problema?

Al llegar a la barrera que es la atmósfera terrestre, estas radiaciones pueden interaccionar con las partículas atmosféricas produciendo nitratos, que destruyen el ozono (O₃). El ozono de la atmósfera, como probablemente saben, actúa como escudo para la radiación ultravioleta del Sol, peligrosa para muchas especies terrestres. Así, la destrucción del ozono supone un gran riesgo para la vida en la Tierra.

Dicho esto, se puede definir la “distancia letal” de una kilonova como la distancia máxima a la que puede producirse para que su radiación pueda llegar a la Tierra y dañar a la capa de ozono. Esta distancia depende, entre otras cosas, de la longitud de la onda de la radiación, así que la distancia letal será distinta para los rayos-x y los rayos-γ, aunque se produzcan en el mismo lugar del Universo.

¿Pero hasta qué distancia son peligrosas esas emisiones?

Con esto en mente, el equipo estima las distancias letales de las kilonovas usando como ejemplo los datos disponibles de un evento concreto: GW170817, la primera kilonova que se observó en ondas gravitacionales. También se apoyan en modelos teóricos, y encuentran que la letalidad depende, entre otras cosas, del ángulo con el que veamos el fenómeno.

Para las eyecciones de “chorro” la distancia letal es enorme si este apunta directamente hacia la Tierra. De hecho, estudios previos han sugerido que el chorro de rayos-γ podría ser letal a distancias de hasta 100 o 200 pársecs (pc), lo que equivale a hasta 150 veces la distancia que nos separa de la estrella más cercana (Próxima Centauri). Pero, ¿y si no estamos en el foco del chorro? ¿Sigue siendo peligroso?

El equipo encuentra que la distancia letal disminuye a medida que aumenta el ángulo entre el eje del chorro y nuestro punto de vista. Es decir: asumiendo en 0º implica el chorro apunta directamente a la Tierra y que 90º es perpendicular, para ángulos mayores de 7º la distancia letal del chorro de rayos-γ es prácticamente cero (Figura 3, izquierda). Cuando su emisión se ha extendido a rayos-x, la distancia letal máxima (con el chorro apuntando a la Tierra) es de 13 pc y no cae a cero hasta ángulos de 40º (Figura 3, derecha).

Por otro lado, siguiendo con el análisis de la emisión relevante cuando el chorro no apunta directamente a la Tierra (ángulos mayores de 10 grados), están los rayos-γ producidos por el decaimiento de los elementos con alto contenido en neutrones. Esto no depende del ángulo ya que es una emisión más o menos esférica, y el equipo determina una distancia letal de 1 pc aproximadamente.

Combinando todos los efectos considerados hasta ahora, que llegarían a la Tierra al mismo tiempo, el equipo estima una distancia letal para las kilonovas de 6.6 pc si el chorro no apunta directamente hacia la Tierra.

Sin embargo, los rayos cósmicos emitidos miles de años después de la kilonova suponen una amenaza más importante aún. Al estar compuestos por partículas subatómicas muy energéticas y rápidas, su interacción con la atmósfera terrestre no sólo produce compuestos que destruyen el ozono, sino también muones que pueden atravesar la superficie de la tierra, afectando incluso a seres vivos que viven cientos de metros bajo el agua. El equipo estima que la distancia letal de esta componente es de 11 pc, aunque depende de la energía de la explosión.

¿Pero son muy frecuentes?

En resumen: las kilonovas situadas hasta a 11 pársecs de la Tierra podrían llegar a ser letales. Sin embargo, aunque perder la capa de ozono asusta mucho, lo cierto es que no es un fenómeno tan frecuente como para considerarlas un riesgo real para la Tierra. De hecho, el equipo firmante del artículo estima que las fusiones de estrellas de neutrones a menos de 10 pc de distancia sólo se producirían cada 500 veces la edad del Universo. ¡Ya sería mala suerte que nos tocase! Así que si aún están dudando de qué disfrazarse para causar un efecto astronómico-terrorífico… quizá sea mejor elegir una supernova o una llamarada solar.