Conociendo a nuestros “vecinos”: la supernova SN 2023ixf

• Artículo en el que se basa este astrobito: From Discovery to the First Month of the Type II Supernova 2023ixf: High and Variable Mass Loss in the Final Year before Explosion

• Autoría: Daichi Hiramatsu, Daichi Tsuna, Edo Berger, Koichi Itagaki, Jared A. Goldberg, Sebastian Gomez, Kishalay De, Griffin Hosseinzadeh, K. Azalee Bostroem, Peter J. Brown, Iair Arcavi, Allyson Bieryla, Peter K. Blanchard, Gilbert A. Esquerdo, Joseph Farah, D. Andrew Howell, Tatsuya Matsumoto, Curtis McCully, Megan Newsome, Estefania Padilla Gonzalez, Craig Pellegrino, Jaehyon Rhee, Giacomo Terreran, József Vinkó, and J. Craig Wheeler

• Institución del primer autor: Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, Cambridge, MA, EEUU
  
• Estado de la publicación: publicado en “The Astrophysical Journal Letters”, vol. 955, L8

Una supernova en nuestro barrio: SN 2023ixf

Las escalas de tiempo de la vida de una estrella son increíblemente largas comparadas con las que vivimos los humanos. Su combustible puede durar miles de millones de años hasta que se agota y mueren. Las más masivas (más de 8 veces la masa de nuestro Sol) lo hacen en forma de supernovas (Figura 1, panel izquierdo). La comunidad astronómica ha estimado tras muchos años de estudio de estos objetos, que la frecuencia con la que una supernova ocurre en una galaxia es de aproximadamente 1 cada 50 años. Por lo tanto, son eventos relativamente raros en el Universo para las escalas de tiempo humanas. Pero más raro aún es que ocurra una supernova cerca de nuestra propia galaxia. Por lo tanto, aprovechar estas escasas ocasiones es crucial para entender el ciclo de vida de las estrellas.

La protagonista de hoy es la supernova SN 2023ixf, que tuvo lugar el 19 de mayo de 2023 en la galaxia M101, comúnmente conocida como la Galaxia del Molinete, ¡“solo” a 21 millones de años luz de nuestro planeta! (Figura 1, panel derecho). Aunque esta distancia pueda parecer muy grande, es la supernova más cercana detectada en muchos años. Este hecho levantó el interés de toda la comunidad científica, proporcionando la oportunidad perfecta para aprender sobre la muerte de las estrellas y su entorno.

Figura 1: Panel izquierdo: Representación artística de una explosión de supernova en el centro, expulsando gas y material al medio interestelar (Crédito: ESO/M. Kornmesser). Panel derecho: Imagen de la galaxia M101, con la posición de la supernova SN 2023ixf señalada con los marcadores blancos (Imagen adaptada del artículo original).

SN 2023ixf es una supernova tipo II. Este tipo de eventos se producen a partir de una estrella masiva (entre unas 8 y 40 veces la masa del Sol), que tras acabar su combustible, posee un núcleo compuesto principalmente por hierro, níquel y silicio, y varias capas de elementos más ligeros (oxígeno, neon, carbono, helio e hidrógeno) distribuidas hasta su superficie (Figura 2). Los elementos del núcleo no pueden fusionarse, lo que impide que pueda continuar produciendo energía. Esta energía es la que evitaba que la estrella colapsase por la acción de su propia gravedad. Por lo tanto, una vez finalizada la fusión se produce un colapso y posterior explosión de la estrella, que expulsa todo el material y sus capas externas. Pero, ¿qué más hemos aprendido de este evento tan peculiar?

Figura 2: Representación esquemática del interior de una estrella masiva progenitora de una supernova tipo II. Los diferentes elementos se distribuyen en capas a medida que dejan de dar lugar a fusión nuclear, con los más pesados en el núcleo.

Observando la supernova SN 2023ixf

La cercanía de esta supernova acaparó las miradas de muchos telescopios durante los días siguientes a su explosión. En concreto, un equipo del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian liderado por Daichi Hiramatsu, autor principal del artículo original, observó de forma continuada  la emisión visible (la luz que podemos ver con nuestros ojos) y ultravioleta de esta explosión durante un mes, permitiendo llevar a cabo un seguimiento de su brillo o flujo con el tiempo mediante lo que se conocemos como curvas de luz, es decir, la variación de este flujo con el tiempo (ver Figura 3). Este seguimiento reveló un incremento del brillo de la supernova de unas 2000 veces su brillo inicial, ¡y en tal solo 5 días! Tras este gran incremento de brillo, la emisión de la supernova se mantuvo aproximadamente constante durante los siguientes 25 días. 

Figura 3: Curvas de luz (evolución del flujo con el tiempo) en diferentes longitudes de onda visibles y ultravioletas del espectro electromagnético, indicadas con diferentes colores. En el panel inferior se representa la diferencia entre los filtros U y V (índice de color U-V) con el tiempo. Las líneas verticales señalan las fechas en las cuales se obtuvieron también medidas del espectro visible de la supernova (Figura 2 del artículo original).

Además, el equipo responsable de este estudio también realizó un seguimiento del espectro visible, es decir, la luz que podemos ver con nuestros ojos, descompuesta en cada longitud de onda o frecuencia. Durante los primeros 5 días tras la explosión, estos espectros revelaron una importante presencia de varios elementos como hidrógeno, helio, carbono o nitrógeno, debido al contenido presente en la estrella progenitora (Figura 4). En particular, resultaron especialmente llamativas algunas transiciones atómicas de estos elementos, como por ejemplo CIII a CIV, que no eran esperables en los modelos utilizados hasta entonces en este tipo de explosiones. 

Estas transiciones fueron producidas por la interacción de la onda de choque resultante de la explosión con el gas expulsado. Sin embargo, la presencia de estas inesperadas líneas atómicas parece indicar que el gas se encontraba condensado de forma muy compacta, retrasando la producción de la onda de choque desde la estrella central. Por lo tanto, la estrella debía haber expulsado material los años previous a su muerte. De este modo, el equipo autor del estudio propone dos modelos diferentes para explicar la presencia de este material en las proximidades de la estrella, y la posterior evolución de su supernova: un primer modelo basado en fuertes vientos estelares, expulsando gas en sus últimos años de vida (hasta una masa solar al año), y un segundo modelo basado en erupciones aleatorias que precedieron a la supernova. A pesar de que ambos modelos son capaces de explicar la evolución del este evento, todo parece indicar que los últimos años de vida de esta estrella fueron extremadamente violentos.

Figura 4: Evolución del espectro visible de SN 2023 ixf con respecto al tiempo (de arriba a abajo). Diferentes colores representan espectros medidos con diferentes telescopios. En los espectros más brillantes se pueden apreciar líneas de emisión correspondientes a transiciones atómicas del hidrógeno o carbono, por ejemplo (marcadas con líneas discontinuas verticales de color), que se vuelven menos intensas con el paso del tiempo (Figura 3 del artículo original).

Mirando al pasado para entender el futuro

Las observaciones de esta supernova realizadas por numerosos grupos de investigación en todo el mundo servirán para entender mejor los procesos por los cuales las supernovas aumentan tanto su brillo rápidamente, que decae en los días siguientes a la explosión, generalmente de forma menos extrema. Además, gracias a su cercanía, también nos puede ayudar a encontrar y caracterizar a las estrellas precursoras de estas supernovas, antes incluso de que observemos su muerte.

Para esto, aprovechando la gran cantidad de observaciones de M101, múltiples equipos han puesto sus ojos en el pasado, es decir, en datos de archivo, con el fin de caracterizar la estrella antes de que este evento tuviese lugar. Varios de estos grupos han encontrado ya una estrella supergigante roja como principal candidata a haber originado esta gran explosión. Aunque todavía sea pronto para asegurarlo, mirando al pasado y entendiendo las peculiaridades de esta estrella podemos estar abriendo un nuevo camino en el estudio de supernovas, con el objetivo de poder observar con mayor rapidez estos raros sucesos, ¡e incluso predecirlos antes de que ocurran!