El 10 de abril de 2024, cuando una estrella a 22 millones de años luz de distancia estalló violentamente, los astrónomos no sabían que estaban a punto de desvelar un misterio que había desconcertado a la comunidad científica durante décadas. En solo 26 horas, el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral en Chile ya estaba apuntando hacia esta supernova, llamada SN 2024ggi.
Utilizando una técnica avanzada llamada espectropolarimetría, un equipo internacional de investigadores logró captar la forma del instante en que la onda de choque de la supernova rompió la superficie de la estrella: una estructura axisimétrica con forma de huevo o balón de rugby, y no la explosión esférica que predice la teoría tradicional.
El momento de la vida y muerte de una estrella
La muerte de una estrella masiva es uno de los espectáculos más impresionantes del cosmos. Cuando una estrella con una masa más de 8 veces mayor que la del Sol agota su combustible nuclear, colapsa bajo su propia gravedad, desencadenando una violenta explosión de supernova de colapso del núcleo.
Durante la mayor parte de su vida, la estrella mantiene un equilibrio delicado: la gravedad que empuja hacia dentro y la presión hacia fuera de la fusión nuclear se contrarrestan. Pero cuando el núcleo de hierro ya no puede liberar energía mediante fusión, este equilibrio se rompe.
El núcleo de la estrella colapsa en milisegundos, formando una estrella de neutrones densa o un agujero negro, mientras que las capas externas son expulsadas a miles de kilómetros por segundo, produciendo una explosión que resuena en el universo.
El momento en que la onda de choque de la supernova irrumpe en la superficie de la estrella se conoce como ruptura del choque (“shock breakout“) – un proceso extremadamente breve que dura solo unas horas, pero que contiene información clave sobre el mecanismo de muerte de la estrella.
“La geometría de la explosión de una supernova proporciona información fundamental sobre la evolución estelar y los procesos físicos que conducen a estos fuegos artificiales cósmicos”, explica el profesor Yi Yang, autor principal del estudio y profesor asistente en la Universidad de Tsinghua.
Carrera contra el tiempo
Cuando se activó la alerta de SN 2024ggi en abril de 2024, Yang acababa de aterrizar en San Francisco después de un largo vuelo. Al darse cuenta de la importancia del evento, actuó inmediatamente. En 12 horas, había enviado su propuesta de observación al ESO, que fue rápidamente aprobada. El 11 de abril, el VLT ya estaba observando la supernova – solo 26 horas después de su detección inicial.
SN 2024ggi se encuentra en la galaxia NGC 3621, a unos 22 millones de años luz de la Tierra, lo que en escalas astronómicas se considera “prácticamente al lado”. El progenitor de esta supernova era una supergigante roja, con una masa de 12-15 veces la del Sol y un radio 500 veces mayor.
“Las primeras observaciones del VLT capturaron la fase en la que la materia, acelerada por la explosión cerca del centro de la estrella, atraviesa la superficie estelar. Durante varias horas, la geometría de la estrella y la de su explosión pudieron observarse simultáneamente”, dice Dietrich Baade, astrónomo del ESO y coautor del estudio.
Descifrando el código con espectropolarimetría
¿Por qué es tan difícil medir la forma de una supernova? Aunque estas explosiones son extremadamente brillantes, están tan lejos que incluso con los telescopios más potentes solo se ven como un punto de luz.
El equipo de investigación utilizó la espectropolarimetría, una técnica que analiza ligeras variaciones en la dirección de vibración de las ondas de luz para inferir la forma de un objeto astronómico.
“La espectropolarimetría proporciona información sobre la geometría de la explosión que no se puede obtener con otros tipos de observación, porque la escala angular es demasiado pequeña”, afirma el profesor Lifan Wang de la Universidad Texas A&M y coautor del estudio.
Aunque la estrella en explosión parece solo un punto de luz, los patrones de polarización de su luz esconden información sobre su forma.
Cuando la luz es dispersada por electrones en una superficie no esférica, produce una señal de polarización característica. En una esfera perfecta, esta polarización se cancelaría; pero cualquier desviación de la forma esférica produce una polarización neta que revela su geometría oculta.
La verdadera forma de una supernova
Los resultados fueron sorprendentes: la ruptura del choque inicial de la supernova no era esférica, sino que presentaba una estructura axisimétrica con forma de huevo o balón de rugby.
El instrumento FORS2 en el VLT es el único en el hemisferio sur capaz de captar la forma de una supernova mediante este tipo de mediciones. Los datos mostraron que la eyección inicial de material formó una figura similar a un huevo. A medida que la explosión se expandía hacia el exterior y chocaba con el material que rodeaba a la estrella, la forma se aplanaba, pero el eje de simetría de la eyección se mantenía constante.
Lo más notable es que este eje de simetría persistió durante toda la explosión, desde la ruptura del choque inicial hasta las capas externas ricas en hidrógeno en expansión, todos compartían el mismo eje de simetría.
“Estos hallazgos sugieren que el mecanismo físico que impulsa la explosión de muchas estrellas masivas manifiesta una axisimetría bien definida y actúa a grandes escalas”, señaló Yang.
Descifrando la muerte estelar
Esta observación proporciona pistas cruciales para entender cómo mueren las estrellas masivas. La forma de huevo de la explosión coincide con algunos modelos de supernova, al tiempo que descarta otros.
Algunos modelos teóricos asumen que la onda de choque puede ser re-energizada al absorber neutrinos, lo que lleva a explosiones muy no esféricas. Otros modelos implican ondas de choque impulsadas por chorros (“jets“), que dan lugar a explosiones bipolares.
Las observaciones de SN 2024ggi muestran que su proceso de explosión tenía una asimetría moderada, consistente en general con una zona de emisión alargada en una dirección particular.
La configuración axisimétrica temprana también es compatible con los procesos magneto-rotacionales – durante la formación del proto-neutrón en el colapso del núcleo, los campos magnéticos amplificados por una inestabilidad magneto-rotacional podrían levantar materia a lo largo del eje de rotación del núcleo en colapso.
Este mecanismo no necesariamente implica la formación de chorros potentes que penetren las envolturas de helio e hidrógeno, compatible con el moderado nivel de asimetría observado en todas las fases de SN 2024ggi.
Colaboración científica
Este descubrimiento no es solo un triunfo tecnológico, sino también un ejemplo de colaboración científica global. Desde la detección inicial de la supernova hasta la coordinación de las aprobaciones urgentes de observación, se necesitó una colaboración internacional sin fisuras.
“Este descubrimiento no solo remodela nuestra comprensión de cómo explotan las estrellas, sino que también muestra lo que se puede lograr cuando la ciencia trasciende las fronteras”, dijo Ferdinando Patat, astrónomo del ESO y coautor del estudio.
“Es un recordatorio poderoso de que la curiosidad, la colaboración y la acción rápida pueden desbloquear conocimientos profundos que dan forma a la física de nuestro universo”.
La rapidez de las observaciones fue crucial – la fase de ruptura del choque solo dura unas horas, antes de quedar oscurecida por la evolución posterior de la explosión. Poder apuntar a la supernova 26 horas después de su detección demuestra la capacidad de la astronomía moderna para responder a eventos cósmicos fugaces.
El hecho de que la geometría de la ruptura del choque de SN 2024ggi comparta el mismo eje de simetría que la eyección sugiere firmemente que la explosión por colapso del núcleo podría estar impulsada por un mecanismo que moldea la explosión a gran escala, y no por una configuración amorfa o esférica resultante de inestabilidades a pequeña escala.
A medida que lleguen más observaciones como esta, quizás pronto podamos desentrañar el misterio de la muerte de las estrellas masivas, revelando el último grito de estos gigantes cósmicos en el momento de su fin.