Esperando la próxima supernova galáctica

En las primeras horas del 24 de febrero de 1987, en el Observatorio Las Campanas, Chile, Ian Shelton, astrónomo de la Universidad de Toronto, desarrolló su última cámara nocturna antes de acostarse. Había pasado la noche observando y fotografiando, con un tiempo de exhibición de tres horas, el Grand Nuage de Magellan, una galaxia satélite de la Vía Láctea. Cuando sacó la placa fotográfica del baño revelador para asegurarse de que la imagen apareciera correctamente, algo le llamó la atención: un punto de luz anormal al lado de la nebulosa de la Tarántula, llamado así por su forma que evoca una araña. ¿Era solo un defecto en el plato? ? Para asegurar esto, I. Shelton dejó la cúpula que alberga el telescopio para observar a simple vista el cielo, despejado en el aire seco de esta región montañosa. En la Gran Nube de Magallanes, vio una estrella brillante que estaba ausente el día anterior. Se apresuró a compartir su descubrimiento con sus colegas en otro edificio del Observatorio.

I. Shelton estaba discutiendo la aparición de esta nueva estrella con los astrónomos Barry Madore y William Kunkel cuando el ingeniero chileno Oscar Duhalde informó que había visto la estrella unas horas antes, cuando había salido a tomar aire fresco. Los cuatro llegaron a la conclusión de que era una supernova, un fenómeno correspondiente a la explosión de una estrella, que puede brillar más de un millón de soles durante varios meses. Ningún otro objeto astronómico pudo cambiar el brillo tan rápidamente: indistinguible el día anterior, visible a simple vista al día siguiente. I. Shelton y O. Duhalde habían descubierto una supernova en una galaxia satélite de la Vía Láctea.

Unas horas después, el fenómeno fue observado por un astrónomo aficionado en Nueva Zelanda. Advirtió uno tras otro, los astrofísicos de todo el planeta, acogieron con entusiasmo el descubrimiento, porque la «supernova 1987A», como la llamaron, fue la primera supernova observada en las proximidades de la Vía Láctea desde la invención del telescopio, casi cuatro Hace siglos.

Los astrónomos orientaron una gran cantidad de telescopios ópticos del hemisferio sur en la dirección del evento que tuvo lugar en la Gran Nube de Magallanes, distante de 163,000 años luz de distancia. También señalaron dispositivos sensibles a las ondas infrarrojas y de radio, así como instrumentos a bordo de sondas espaciales que registran radiación ultravioleta y X.

Los teóricos habían descrito este tipo de explosión utilizando modelos. Usando simulaciones digitales complejas, los investigadores habían esbozado cómo una estrella masiva y envejecida se autodestruye: el corazón de la estrella se derrumba para formar una bola densa de neutrones, una estrella de neutrones o un agujero negro, y las capas externas de la estrella son expulsadas al medio interestelar, creando una nube de escombros brillantes. El análisis de las observaciones de la supernova de 1987A confirmó los contornos generales de estos modelos.

El descubrimiento de la supernova de 1987A despertó el interés de los astrónomos, pero también el de los físicos de partículas. De hecho, este último aprovechó esta explosión para estudiar neutrinos, partículas a menudo calificadas como fantasmales, porque interactúan muy poco con la materia. Se dice que la supernova de 1987A produjo unos 1.058 neutrinos, emitidos en todas las direcciones. Una pequeña fracción de ellos llegó a la Tierra y solo se pudieron detectar veinte. Los físicos han demostrado que estas partículas son ricas en información sobre la muerte de las estrellas y la naturaleza de los neutrinos.

Los neutrinos llegan antes de la luz

Si tal explosión ocurriera en la Vía Láctea, por lo tanto, mucho más cerca que la supernova de 1987, se detectarían más neutrinos. Su estudio refinaría los modelos sobre cómo ocurre una supernova. Pero tal evento es raro dentro de la Vía Láctea. Y puede suceder en cualquier momento. Los cazadores de neutrinos se están preparando para detectar la próxima explosión. Además, pueden ser los primeros en detectar el evento, mucho antes de que su luz llegue a la Tierra.

Cuando se anunció el descubrimiento de la supernova de 1987A, John Bahcall (1934-2005), del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton en los Estados Unidos, estaba tan emocionado como para perder el sueño. Esta observación le permitiría probar una de sus ideas: pensó que las señales de advertencia de este cataclismo cósmico, en forma de neutrinos, probablemente habían llegado a la Tierra varias horas antes de que los astrónomos descubrieran la supernova a través de sus telescopios clásicos.

Según modelos teóricos de evolución estelar, cuando el corazón de la estrella masiva se derrumba, se produce una cantidad gigantesca de neutrinos. Llevan casi el 99 por ciento de la energía de la explosión. Estas partículas luego escapan suavemente de la estrella, ya que rara vez interactúan con la materia. Este no es el caso de los fotones, que pueden tardar horas o incluso días en escapar. Por lo tanto, los neutrinos dejan la supernova un paso por delante de los fotones. Estos últimos no los alcanzan antes de llegar a la Tierra, porque los neutrinos se mueven casi a la velocidad de la luz.

Tras el anuncio del descubrimiento de la supernova, Bahcall y dos de sus colegas calcularon el número de neutrinos de la explosión que los detectores en la Tierra habrían registrado antes de que los telescopios observaran el evento. Estimaron que se deberían observar unas pocas docenas de neutrinos. En menos de una semana, presentaron sus resultados a una revista científica, de modo que su pronóstico teórico se publicaría antes de que los experimentadores anunciaran los resultados del análisis de datos de sus detectores.

La experiencia japonesa Kamiokande ofreció la mejor oportunidad de ver los neutrinos de la supernova. Su dispositivo consistía en un tanque cilíndrico de 16 metros de altura, lleno de agua pura y rodeado de 1,000 fototubos, detectores que registran el destello de luz emitido cuando un neutrino interactúa con un átomo en el tanque de agua.

El análisis de Bahcall probó los modelos que describen supernovas y física de neutrinos. La ausencia total de neutrinos en los datos habría llevado a tener que repensar estos modelos. Sin embargo, la señal de neutrinos era claramente visible en los datos: los detectores de Kamiokande habían registrado 11 destellos en el espacio de unos segundos, casi tres horas antes de la primera observación óptica de la supernova en Chile y en Nueva Zelanda. En el otro lado del planeta, un detector de neutrinos similar, IMB (para Irvine-Michigan-Brookhaven), ubicado en una mina de sal bajo el lago Erie en los Estados Unidos, había registrado ocho destellos al mismo tiempo que Kamiokande [ . Más tarde, los investigadores aprendieron que un tercer experimento, el Observatorio Neutrino en Baksan, en el Cáucaso ruso, había detectado cinco neutrinos.

Los veinte neutrinos registrados fueron solo una fracción de los miles de millones de neutrinos que cruzaron la Tierra por un breve momento y emanaron de la estrella que explotó en la Gran Nube de Magallanes. Un número tan pequeño de neutrinos no parece espectacular, pero fue suficiente para confirmar los cálculos de Bahcall. Además, la supernova de 1987A fue la primera fuente astrofísica de neutrinos estudiada fuera del Sol y dio muchos resultados. John Beacom, físico teórico de la Universidad de Ohio, señala que estos neutrinos ofrecen la oportunidad de estudiar el interior de las estrellas del final de la vida, lo que los astrónomos no pueden hacer con los telescopios clásicos.

A pesar de la pequeña cantidad de neutrinos capturados, estos han confirmado aspectos importantes de cómo explota una estrella. El número y la energía de las partículas correspondieron a los pronósticos de los modelos. Los físicos, por ejemplo, han excluido escenarios exóticos en los que la supernova pierde energía al emitir partículas hipotéticas, llamadas axiones, o por fugas en dimensiones adicionales del espacio-tiempo. La llegada de neutrinos, distribuidos en unos segundos y no simultáneamente, indica que las partículas tuvieron que escapar de un pequeño núcleo estelar denso como se describe en los modelos.

Las medidas también proporcionaron información sobre la naturaleza de los neutrinos. Al llegar a la Tierra tres horas antes de los fotones capturados por los telescopios, los neutrinos viajaron a una velocidad cercana a la de la luz. Dado que las partículas ligeras se mueven más rápido que las partículas pesadas, se ha establecido un límite superior en la masa de neutrinos, igual a 12 electronvoltios (en unidades de energía). Esta masa es tan baja que los astrofísicos han concluido que, a pesar de la gigantesca cantidad de neutrinos en el Universo, estas partículas no pueden hacer una contribución importante a la «materia negra», un componente importante del Universo cuya naturaleza es desconocida. Además, cuando los medios se entusiasmaron en 2011 con una medida (que luego resultó estar equivocado) indicando neutrinos más rápido que la luz, los neutrinos de supernova proporcionaron un fuerte argumento contrario: si los neutrinos se movían más rápido que la luz, habrían llegado a la Tierra por años, No unas pocas horas, antes de los fotones.

La esperanza de una explosión estelar cercana

La supernova de 1987 dio una idea de lo que los astrofísicos pueden aprender sobre el interior de las estrellas moribundas. Alex Friedland, del Laboratorio Americano de Los Alamos, explica que si se detectaran 1,000 neutrinos de una supernova, podríamos volver sobre todo el proceso de explosión y determinar el destino de la estrella. Por su parte, los físicos de partículas podrían estudiar el comportamiento de los neutrinos en condiciones extremas que no pueden reproducirse en el laboratorio.

Para observar tal flujo de neutrinos, los investigadores deben presenciar una supernova dentro de la Vía Láctea. No se ha detectado supernova en la galaxia desde las de 1572 y 1604, esta última ha sido tan brillante que era visible a plena luz del día. Las observaciones de los restos de estas supernovas sugieren que son el resultado de la explosión de una estrella de tipo enano blanco que habría absorbido grandes cantidades de material de una estrella compañera o se habría fusionado con otra enana blanca.

De las observaciones sobre otras galaxias, los astrónomos estiman que, en promedio, algunas estrellas deberían explotar por siglo dentro de la Vía Láctea. No siempre serían visibles, porque el polvo interestelar absorbe parte de la radiación. Por otro lado, sus neutrinos llegarían a la Tierra sin obstáculos desde cualquier lugar de la Vía Láctea.

Los detectores de neutrinos bastante sensibles han estado escaneando el cielo durante 25 años. Si las estimaciones son correctas, una supernova puede ocurrir pronto en la Vía Láctea. No debemos perder este raro evento, y los físicos se están preparando para ello.

Con sus colegas Kate Scholberg de la Universidad de Duke, desarrolló el Sistema de Alerta Temprana Supernovae (SNEWS para Sistema de Alerta Temprana SuperNova ), una red coordinada de detectores y observatorios de neutrinos que transmiten rápidamente una señal. Todos los experimentos capaces de detectar neutrinos de una supernova, como IceCube en la Antártida, LVD y Broxyxino en Italia, y la versión mejorada y más grande de [19avenamiK59017. Si varios detectores de neutrinos miden una señal al mismo tiempo, es probable que explote una supernova en la vecindad galáctica.

Si el intervalo de tiempo entre las señales de dos detectores es inferior a diez segundos, el sistema SNEWS transmite una alerta a otros observatorios de todo el mundo. K. Scholberg y sus colegas esperan que los telescopios terrestres o espaciales puedan grabar la radiación electromagnética (luz visible, ondas de radio o rayos X) de la supernova lo antes posible, y así seguir los primeros momentos del proceso. Con una gran cantidad de personas movilizadas para mirar en la mayor cantidad de direcciones posible, aumentan las posibilidades de observar el inicio de la explosión.

Los detectores de neutrinos medirán el número de partículas, su energía y la evolución de estas cantidades a lo largo del tiempo. Usando esta información en el curso de la explosión, los físicos podrán, por ejemplo, determinar si el colapso del corazón de la estrella forma un agujero negro, desde donde nada, ni siquiera neutrinos, escapa o una estrella de neutrones. Si aparece un agujero negro, el flujo de neutrinos debería detenerse repentinamente. Si una estrella de neutrones es el producto final, el residuo de la estrella continúa emitiendo neutrinos durante diez segundos, mientras que el material se enfría. El flujo de neutrinos disminuiría gradualmente en lugar de detenerse repentinamente.

Una supernova galáctica también proporcionaría información sobre las características intrínsecas de los neutrinos. Por ejemplo, los físicos se enfrentan al problema de la «fecha límite de las masas de neutrinos». Hay tres tipos de neutrinos, de diferentes masas. Sin embargo, las experiencias actuales no permiten que estas masas se midan directamente, sino solo sus diferencias. Si los neutrinos se clasifican aumentando la masa, son posibles dos configuraciones (ver recuadro opuesto) . Los neutrinos de una supernova permitirán especificar qué jerarquía es la correcta.

Neutrinos con comportamiento exótico ?

Además, en el corazón de una supernova, la densidad de los neutrinos es tan alta que estas partículas podrían interactuar, mientras que se ignoran por completo en las condiciones habituales. Los neutrinos podrían manifestar comportamientos exóticos como «oscilaciones» colectivas cuya comprensión aún es incompleta. Las observaciones también podrían proporcionar pistas sobre lo que está oculto más allá del modelo estándar que describe las partículas elementales y sus interacciones.

Entre las experiencias operativas de hoy, Super-Kamiokande pudo detectar varios miles de neutrinos de una supernova explotando en el centro de la galaxia, a unos 25,000 años luz de nosotros. A partir de tal flujo, los físicos podrán estimar la dirección desde la cual los neutrinos llegan en unos pocos grados, limitando así el área del cielo a ser examinada con telescopios a un área apenas más grande que la de la luna llena.

El experimento IceCube , que podría registrar un millón de neutrinos, sería el más efectivo para analizar la evolución del flujo de partículas a lo largo del tiempo. Francis Halzen, de la Universidad de Wisconsin en Madison (Estados Unidos) y al frente del experimento IceCube, especifica que el dispositivo podrá reconstruir todo el flujo de una duración de diez segundos con una medición cada pocos milisegundos. Los físicos podrán determinar con gran precisión el momento en que se forma la estrella de neutrones o el agujero negro.

Sin embargo, los detectores de corriente son sensibles a un solo tipo de partículas de supernovas, antineutrino electrónico (neutrino y su antipartícula, antineutrino, existen bajo tres «saboreños»: electrónico, muónico y tauico). Observar un solo tipo de neutrinos equivale a tomar una fotografía con un filtro monocromático. La imagen compuesta de todos los colores sería mucho más interesante. Para enriquecer la paleta de neutrinos detectables, K. Scholberg e investigadores canadienses están construyendo el dispositivo HALO (para Helium and Lead Observatory , Helium and Lead Observatory) en SNOLAB en Ontario. El material de detección consta de 76 toneladas de plomo, lo que le da a HALO una sensibilidad a los neutrinos electrónicos. Como la experiencia es modesta en tamaño, solo una supernova en la mitad más cercana de la galaxia será visible para ella.

En unos pocos años… o unas pocas décadas

Las perspectivas son emocionantes, pero solo se materializarán cuando un corazón estelar en la supernova se derrumbe en el vecindario galáctico.

El flujo de neutrinos desde una supernova fuera de la Vía Láctea proporcionaría muy poca información. Por ejemplo, Super-Kamiokande detectaría solo un puñado de neutrinos de una supernova nacida en la galaxia de Andrómeda, la galaxia comparable en tamaño a la Vía Láctea y que está más cerca de ella, a unos 2,5 millones de años luz de distancia .

Si es seguro que las estrellas envejecidas, como Betelgeuse o Eta Carinae, explotarán en el futuro cercano, es imposible ser más preciso. En esta área, el «futuro cercano» puede corresponder a varios cientos de miles de años.

Pero la Vía Láctea está poblada por una gran cantidad de estrellas y es muy probable que una de ellas explote en las próximas décadas. A. Friedland me dijo que si tuviera que apostar por lo que sucedería primero, una supernova en la galaxia o la construcción de un acelerador de partículas en los Estados Unidos, apostaría por la explosión de una estrella. E incluso si está demasiado lejos para que su luz nos llegue, sus neutrinos brillarán intensamente en los detectores, un momento que será histórico para todos los investigadores de neutrinos.

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