La UGR participa en el equipo internacional que ha determinado la masa de la primera supernova de tipo Ia observada con el Telescopio Espacial James Webb

La investigadora Inmaculada Domínguez Aguilera, del departamento de Física Teórica y del Cosmos de la Universidad de Granada (UGR), forma parte del equipo científico internacional que está realizando observaciones de supernovas con el Telescopio Espacial James Webb, y que recientemente ha conseguido determinar la masa de la supernova de tipo Ia 2021aefx.

El telescopio espacial James Webb fue lanzado al espacio el 25 de diciembre de 2021 y es un observatorio espacial desarrollado a través de la colaboración de 14 países​, construido y operado conjuntamente por la Agencia Espacial Europea, la Agencia Espacial Canadiense y la NASA para sustituir los telescopios Hubble y Spitzer. Su lanzamiento puede volver a verse aquí: https://webb.nasa.gov/content/about/launch.html

Las observaciones realizadas con el telescopio espacial James Webb (JWST) en el infrarrojo medio han permitido a los investigadores conocer la masa de la enana blanca que explotó dando lugar a la supernova 2021aefx, así como las asimetrías relacionadas con la explosión. Estos resultados han sido recientemente publicados en la prestigiosa revista The Astrophysical Journal Letters. La supernova 2021aefx ha sido la primera supernova de tipo Ia observada con el JWST.

La supernova 2021aefx fue descubierta el 11 de noviembre de 2021 en la galaxia espiral NGC 1556 que se encuentra a unos 20 millones de años luz de la Vía Láctea, en la constelación austral Dorado. El nombre que se da a las supernovas responde al año de su descubrimiento (2021) y las letras indican el orden cronológico de su descubrimiento dentro de ese año, como en las matrículas de los automóviles.

"¿Por qué nos interesan tanto las supernovas de tipo Ia ? Medir distancias en el Universo ha sido desde siempre uno de los grandes retos de la Astronomía y estas supernovas son nuestros mejores indicadores de distancias extragalácticas. Son tan brillantes que podemos verlas en regiones remotas del Universo y son tan homogéneas que podemos inferir su brillo intrínseco, y midiendo la luz que nos llega estimar las distancias a las que se encuentran. Son nuestros mejores faros cósmicos", señala Inmaculada Domínguez.

¿Pero qué sabemos y qué no sabemos de estas supernovas? La comunidad científica está de acuerdo en que su origen es la explosión, debida a reacciones nucleares de fusión, de enanas blancas compuestas por carbono y oxígeno. Las enanas blancas son objetos muy compactos que se forman a partir de los núcleos de estrellas que tienen una masa inferior a unas 10 veces la masa del Sol. Si están aisladas las enanas blancas se van enfriando y apagando, pero si acretan materia de una compañera, aumentando su masa, pueden explotar. En las reacciones nucleares que causan la explosión, se forman elementos tan pesados como el hierro, siendo estas supernovas de tipo Ia las principales productoras de estos elementos en el Universo. El níquel 56, 56Ni, que se origina en estas explosiones decae radioactivamente a cobalto, 56Co, y este a hierro, 56Fe, y es la energía radioactiva que se produce la responsable de ese brillo tan alto, equivalente en su máximo al de toda una galaxia.

Las supernovas Ia son unos indicadores de distancia tan precisos que nos han mostrado que el ritmo de expansión del Universo se está acelerando. Aceleración que estaría causada por lo que venimos llamando energía oscura, que sería la componente principal de nuestro Universo en la época actual. Por este descubrimiento recibieron el Premio Nobel en Física en 2011 los astrofísicos Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess.

Sin embargo, a pesar de esta relevancia y de los muchos esfuerzos teóricos y observacionales realizados, aún desconocemos los escenarios que dan lugar a estas supernovas y los mecanismos de explosión. Incluso se nos escapan cuestiones básicas, como si la enana blanca que explota alcanza lo que conocemos como masa crítica de Chandrasekhar, que sería en torno a 1.4 veces la masa de nuestro Sol, o si su masa podría ser inferior, una explosión que en este caso llamamos sub-Chandrasekhar. El astrofísico de origen indio Subrahmanyan Chandrasekhar (premio Nobel de Física en 1983) calculó esta masa que lleva su nombre y que es la masa máxima que puede tener una enana blanca, de forma que si la masa fuese superior, la enana blanca colapsaría por gravedad.

Comprender estas supernovas resulta fundamental si queremos aumentar su precisión para poder determinar la naturaleza de la energía oscura que causa la aceleración del ritmo de expansión del Universo.

El equipo internacional de investigadores entre los que se encuentra Inmaculada Domínguez Aguilera, perteneciente al Grupo FQM292 de la UGR, ha observado la supernova 2021aefx 323 días después de su máximo de luz, en el rango de longitud de onda de 4 a 14 micras con el espectrógrafo de baja resolución en el infrarrojo medio que se encuentra a bordo del JWST. Solo 4 supernovas habían podido ser observadas anteriormente en el infrarrojo medio, y con una calidad de los espectros menor.

¿Qué buscamos en el infrarrojo medio? Los elementos que se forman en la explosión dependen de densidad a la que ocurren las reacciones nucleares. A densidades muy altas (de más de 5x108 g/cm3) se producen capturas de electrones que forman los elementos que llamamos neutronizados, con más neutrones que protones en sus núcleos, en particular se produce níquel 58, que es un isótopo estable del níquel. En una enana blanca, como en las estrellas, la densidad es mayor en su centro y disminuye hacia el exterior. A su vez, la densidad de las enanas blancas depende de la masa total, si la enana blanca es más masiva su densidad central es más alta.

Resulta muy interesante y útil que en la explosión de una supernova el material alcance velocidades de miles de kilómetros por segundo. Expandiéndose a estas velocidades el material se va haciendo transparente, y en una escala de tiempo de meses se nos desvela todo el interior de la supernova. Esto no ocurre en las estrellas, cuya luz nos viene solo de su superficie.

"Una vez obtenido el espectro con el JWST lo comparamos con nuestros espectros teóricos. Los espectros teóricos son el resultado de nuestros modelos hidrodinámicos que incluyen el transporte de la radiación, y que dependen de los propiedades físicas y químicas de la supernova", destaca la investigadora de la UGR.

La comparación de los espectros observados con los teóricos nos ha permitido determinar con precisión, a través de elementos químicos producidos, la densidad en la zona central de la enana blanca en el momento de su explosión y por tanto su masa. Esta masa ha resultado ser próxima a la masa crítica de Chandrasekhar, descartando así que pudiese ser una explosión con una masa inferior, sub-Chandrasekhar.

Además, el estudio de las líneas en el espectro correspondientes a los elementos cobalto y de argón, nos han permitido identificar las asimetrías en la explosión.

El lanzamiento del JWST ha abierto una nueva era en la Astronomía, y en particular, en el estudio de las supernovas de tipo Ia. Un solo espectro en el infrarrojo medio ha permitido extraer información que previamente no estaba a nuestro alcance, y mostrar como la comparación del espectro obtenido con el JWST con los modelos teóricos de los investigadores permite desvelar la naturaleza de estos importantes objetos astronómicos que son las supernovas de tipo Ia.