El agujero negro desencadena una explosión prematura de supernova: primera observación de un tipo completamente nuevo de supernova

Esta ilustración muestra una estrella masiva a punto de explotar. La explosión se desencadenó después de que su compañera, una estrella muerta (un agujero negro o estrella de neutrones) cayera en el núcleo de la estrella. Los científicos dicen que el agujero negro o la estrella de neutrones chocó con la estrella masiva y luego, mientras viajaba tierra adentro a lo largo de los siglos, expulsó un vórtice de material de la atmósfera de la estrella (en la imagen que rodea a la estrella). Cuando alcanzó el núcleo de la estrella, el material del núcleo cayó rápidamente sobre el cadáver de la estrella, liberando un par de chorros a casi la velocidad de la luz. En la representación de este artista, los chorros se muestran haciendo un túnel a través de la estrella, pronto para desencadenar una explosión de supernova. Después de unos años, la supernova atravesará la mayor parte de la espiral expulsada, que se extiende hasta unas 10.000 veces el tamaño de la estrella. Esto creará una fuente de radio transitoria luminosa que es observada por una matriz muy grande. Crédito: Chuck Carter

Los teóricos han predicho la primera observación de un tipo de supernova completamente nuevo, pero no se ha confirmado antes.

En 2017, se descubrió una fuente luminosa e inusual de ondas de radio en los datos capturados por Very Large Array Sky Survey (VLA), un proyecto que escanea el cielo nocturno con longitudes de onda de radio. Ahora, dirigido por el estudiante graduado de Caltech Dillon Dong (MS ’18), un equipo de astrónomos ha determinado que el resplandor de la radio brillante fue causado por Calabozo o estrella neutrón Choca con su estrella compañera en un proceso sin precedentes.

“Las estrellas masivas generalmente explotan como supernovas cuando se agota su combustible nuclear”, dice Greg Hallinan, profesor de astronomía en Caltech. “Pero en este caso, un agujero negro gaseoso o una estrella de neutrones hizo que su estrella compañera explotara prematuramente”. Esta es la primera vez que se confirma una explosión de supernova causada por una fusión.

Se ha publicado un artículo sobre los resultados en la revista. Ciencias El 3 de septiembre de 2021.

Brilla en el cielo nocturno

Hallinan y su equipo buscan los llamados transitorios de radio, fuentes de ondas de radio de corta duración que brillan intensamente y se queman rápidamente como una cerilla en una habitación oscura. Los transmisores de radio son una excelente manera de identificar eventos astronómicos inusuales, como estrellas masivas que explotan y liberan chorros de energía o fusiones de estrellas de neutrones.

Dillon Dong, con una antena parabólica de 40 metros en el Observatorio de Radio Owens Valley de Caltech al fondo.

Mientras Dong examinaba el enorme conjunto de datos del VLA, eligió una fuente muy luminosa de ondas de radio del sondeo del VLA llamada VT 1210 + 4956. Esta fuente está asociada con el transitorio de radio más brillante asociado con una supernova.

Dong determinó que la energía de radio brillante era originalmente una estrella rodeada por una corteza de gas espesa y densa. Este caparazón gaseoso había sido arrojado desde la estrella hace unos cientos de años antes de la actualidad. VT 1210 + 4956, Radio Transient, ocurrió cuando la estrella finalmente explotó en una supernova y el material liberado por la explosión interactuó con la envoltura de gas. Sin embargo, el proyectil de gas en sí y la línea de tiempo en la que se lanzó desde la estrella eran inusuales, por lo que Dong sospechó que podría haber más en la historia de esta explosión.

Dos eventos inusuales

Después del descubrimiento de Dong, la estudiante graduada de Caltech Anna Ho (PhD ’20) sugirió que este tránsito de radio se comparara con un índice diferente de breves eventos brillantes en el espectro de rayos X. Algunos eventos de rayos X duraron tan poco que solo existieron en el cielo durante unos segundos del tiempo de la Tierra. Al examinar este otro catálogo, Dong descubrió una fuente de rayos X que se originó en el mismo lugar en el cielo que el VT 1210 + 4956. Mediante un análisis cuidadoso, Dong demostró que los rayos X y las ondas de radio probablemente provenían del mismo evento.

Greg Hallinan

“La radiografía que pasó fue un evento inusual, indicó que se estaba lanzando un jet relativista en el momento de la explosión”, dice Dong. El resplandor radioluminiscente indicó que el material de esa explosión más tarde chocó con un enorme anillo de gas denso que había sido expulsado de la estrella hace siglos. Estos dos eventos no se han relacionado entre sí y son muy raros por sí mismos “.

resolver rompecabezas

¿entonces qué pasó? Después de un modelado cuidadoso, el equipo ha identificado la explicación más probable: un evento que involucra a algunos jugadores cósmicos que se sabe que generan ondas gravitacionales.

Especularon que un remanente compacto de una estrella previamente explotada, un agujero negro o una estrella de neutrones, pronto orbitaría una estrella. Con el tiempo, el agujero negro comenzó a tirar de la atmósfera de su estrella compañera y a dispararla al espacio, formando el toro de gas. Este proceso acercó cada vez más a los dos objetos hasta que el agujero negro se hundió en la estrella, provocando que la estrella colapsara y explotara como una supernova.

Los rayos X fueron producidos por un chorro que fue disparado desde el núcleo de la estrella en el momento en que colapsó. Por el contrario, las ondas de radio se produjeron años más tarde cuando la estrella en explosión alcanzó el toro de gas expulsado por el cuerpo comprimido ascendente.

Los astrónomos saben que una estrella masiva y un cuerpo compacto que la acompaña pueden formar la llamada órbita estable, donde los dos cuerpos se acercan gradualmente en espiral cada vez más cerca durante un período de tiempo extremadamente largo. Este proceso forma un sistema binario que es estable durante millones a miles de millones de años, pero eventualmente chocará y emitirá el tipo de ondas gravitacionales detectadas por Lego en un 2015 y 2017.

Sin embargo, en el caso de VT 1210 + 4956, los dos objetos chocaron instantánea y catastróficamente, lo que resultó en una explosión de rayos X y las ondas de radio observadas. Aunque teóricamente se predijeron colisiones como estas, VT 1210 + 4956 proporciona la primera evidencia concreta de que esto sucedió.

Encuesta de coincidencia

El VLA Sky Survey produce cantidades masivas de datos sobre señales de radio del cielo nocturno, pero examinar esos datos para descubrir un evento interesante y brillante como VT 1210 + 4956 es como encontrar una aguja en un pajar. Dong dice que encontrar esta aguja en particular fue, en cierto modo, una coincidencia.

“Teníamos ideas de lo que podríamos encontrar en la encuesta VLA, pero estábamos abiertos a la posibilidad de encontrar cosas que no esperábamos”, explica Dong. “Creamos las condiciones para descubrir algo interesante haciendo búsquedas abiertas y sin restricciones de grandes conjuntos de datos y luego teniendo en cuenta todas las pistas contextuales que podemos recopilar sobre los objetos que encontramos. Durante este proceso, te encontrarás atraído en diferentes direcciones por diferentes interpretaciones, y simplemente deja que la naturaleza te diga lo que hay ahí fuera “.

El artículo se tituló “Fuente de radio transitoria correspondiente a una supernova de fusión”. Dillon Dong es el primer autor. Además de Hallinan y Hu, otros coautores son Ehud Nakar, Andrew Hughes, Kenta Hotukizaka, Steve Myers (PhD 90), Keshalai Dee (MS ’18, PHD ’21), Kunal Moli (PhD 15), Vikram Ravi, Asaf Horesh, Mansi Kesliwal (MS ’07, Ph.D. ’11) y Shree Kulkarni. El financiamiento fue proporcionado por la National Science Foundation, la US-Israel Bilateral Science Foundation, el I-Core Program del Comité de Planificación y Presupuesto y la Israel Science Foundation, el Natural Sciences and Engineering Council of Canada, el Miller Institute for Basic Research in Science en UC Berkeley y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, el Programa de Científicos Profesionales Tempranos, el Observatorio Nacional de Radioastronomía y la Fundación Heising-Simons.