Las supernovas

La última entrada expusimos sobre M1, la "Nebulosa del Cangrejo", un pintoresco objeto celestial originado por una impresionante demostración de pirotécnica estelar: una supernova, que será el tema de esta entrada.

Aclarar desde el principio que no todas las estrellas llegan a su fin explotando como supernovas. Ese es un camino que está reservado solamente a estrellas que tienen más de 8 masas solares, aquellas gigantes masivas, que consumen su combustible velozmente y corren vertiginosas hacia su muerte. Las estrellas con una masa menor (como nuestro Sol) siguen un camino evolutivo diferente y terminan sus días convertidas en enanas blancas, de las que hablaremos en otra ocasión. 

Una estrella es un gigantesco reactor nuclear que produce energía en forma continua, pero no lo hace por arte de magia, necesita insumos, y en su caso utiliza las reservas de hidrógeno que componen el 99% de su constitución original. Las estrellas que pertenecen a la secuencia principal fusionan átomos de hidrógeno para producir helio, proceso que irradia energía que nosotros percibimos como luz y calor.

La gran mayoría de las personas asocia las supernovas con una explosión, y eso es lo que son, con la salvedad de aclarar que una estrella ya es una explosión nuclear, aunque confinada por la propia gravedad de la estrella. Como es enorme, las capas exteriores de la estrella caen hacia el núcleo por atracción de la fuerza de gravedad. En este núcleo, que es la caldera de una estrella, se fusionan los átomos de hidrógeno para producir energía. La energía liberada por esta fusión genera una onda expansiva, una presión térmica que sostiene el peso de la estrella y evita su colapso, de esta forma, la vida de una estrella está dada por el delicado equilibrio entre la onda expansiva que la dilata y la fuerza de gravedad que tiende a comprimirla.

Todo esto podemos comprenderlo mediante un dibujito:

Pero claro, no hay plazo que no se cumpla ni deuda que no se pague. Llega un momento en que la estrella agota las reservas de hidrógeno de su núcleo. En ese instante decaen las reacciones de fusión, la estrella se contrae sobre si misma y podríamos suponer que se aproxima a un colapso gravitatorio, pero no es así porque la estrella tiene un as bajo la manga: la contracción de la estrella eleva la temperatura del núcleo. La subida de temperatura le permite al núcleo estelar fusionar los átomos de helio (más pesados que los de hidrógeno) y transformarlos en carbono. Este proceso permite continuar con la producción de  energía y equilibrar otra vez la presión térmica con la irresistible fuerza de la gravedad. 

El incremento de temperatura al interior del núcleo estelar tiene otra consecuencia importante: la estrella crece y expande su tamaño pues el calor dilata los objetos. En esta etapa la estrella crece en forma desmesurada, pero como es tan enorme el calor extremo del núcleo apenas se traspasa a las capas exteriores, que de esta forma registran temperaturas menores y adquieren un color rojizo, en síntesis, la estrella se ha convertido en una gigante roja, a estilo de Antares, Betelgeuse y Eta Carinae: un fantástico disco rojo, de un enorme volumen y un brillo deslumbrante. En esta fase la fuerza de gravedad no es lo suficientemente fuerte para mantener en su sitio las capas más externas de la estrella, que terminan por escapar al espacio y formar densas nebulosas alrededor de su desquiciada estrella madre (la nube de polvo y gas que rodea Eta Carinae es por lejos la más impresionante).

Nube de material que rodea a la gigantesca Eta Carinae, preludio de su apocalipsis (NASA, ESA, Hubble SM4 ERO Team).

De esta forma, la estrella es un objeto de densidad y temperatura crecientes hacia el núcleo. Las capas superiores proveen el combustible necesario para la fusión nuclear en las capas inferiores. Es en el núcleo de la estrella donde la temperatura y la densidad alcanzan su punto máximo.

El problema con esta secuencia de reacciones es que el núcleo de la estrella se va llenando de elementos pesados.  Es en todo sentido lo que se conoce como una "huida hacia adelante", pues la estrella fusiona elementos que liberan cada vez menos energía por unidad de masa. Para mantenerse estable debe aumentar la rapidez con que se producen estas reacciones con la consecuencia de acelerar su camino al despeñadero. Una vez que se agota el helio el núcleo de la estrella se vuelve a contraer provocando un nuevo aumento de temperatura que permite fusionar los átomos de carbono, luego repite el proceso con el oxígeno, neón, silicio hasta llegar al hierro. En este punto se produce un cambio importante. La temperatura del núcleo estelar ya es de 3.000 millones de grados, pero la fusión del hierro es un proceso que requiere energía, pero no la libera. Es un callejón sin salida, porque a la estrella ya no la salvarán los incrementos de temperatura ni ninguna estratagema: a medida que el núcleo se va llenando de hierro la estrella se aproxima a un límite peligroso más allá del cuál no tendrá más opciones para continuar con su ciclo vital, quedándose entre la espada y la pared.

Una estrella gigante roja, etapa previa de una supernova, repleta el firmamento de un planeta que orbita a su alrededor.

Estructura interna de una estrella próxima al desastre: su núcleo está compuesto de hierro, producto de la fusión de elementos cada vez menos pesados en las capas superiores (Wikipedia).

Pues bien, llega un punto en que le núcleo de la estrella, rico en hierro, ya no es capaz de seguir con los procesos de fusión nuclear para contrarrestar la irresistible fuerza de gravedad. El núcleo de hierro se mantiene estable mientras su masa sea inferior a 1,4 masas solares, lo que se conoce como límite de Chandrasekhar. Cuando se excede este límite el núcleo no puede soportar su intenso peso y sobreviene el colapso gravitacional. En cosa de un segundo, un simple segundo, el núcleo de la estrella se contrae violentamente sobre si mismo, provocando el derrumbe hacia dentro de las capas externas de la estrella. Estas capas se dan un golpe terrible con el denso núcleo, generándose un fuerte rebote que las obliga a salir disparadas hacia el espacio a una velocidad que puede ser hasta un 30% de la velocidad de la luz. El violento proceso genera unas cantidades increíbles de energía, que percibimos desde la Tierra en la forma de un brillo que puede rivalizar (de hecho, sobrepasar) a todas las restantes estrellas de una galaxia. Es el fin, un objeto enorme, de unas dimensiones que desafían toda capacidad de comprensión, ha sido destruido en cosa de segundos.

Simpático video. Los autores explican porque las capas externas de la supernova salen disparadas al espacio.

Pero claro, en esta historia no todo es caos y destrucción, porque las supernovas son un eslabón esencial de la cadena de acontecimientos que han permitido a la humanidad escalar hasta el sitial que hoy ocupa: los elementos más pesados que el hierro solo pueden crearse en el interior de una supernova, en la implosión de un núcleo estelar: las enormes presiones y temperaturas generadas en la estrella durante su muerte generan hierro, plomo, zinc, oro, plata, uranio, cobre, todos elementos esenciales para nuestro organismo, economía y estilo de vida...si al fin y al cabo es exactamente como lo resumía el gran Sagan, "somos polvo de estrellas", frase que es absolutamente literal (aparte claro, de su belleza intrínseca). Todo este valioso material queda flotando por el espacio interestelar y será la materia prima que dará origen a una nueva generación de estrellas y planetas.

La estrella ha muerto, es decir, ha mutado desde su forma convencional y se transformará en un objeto sorprendente: algunas logran frenar el colapso gravitacional mediante la llamada presión de degeneración de los neutrones (que puede soportar un núcleo que tenga como máximo tres masas solares) y se transforman en una estrella de neutrones, un objeto de unos 25-30 kilómetros de diámetro en que los átomos del núcleo están tan apretados que forman una amalgama increíblemente densa, tan densa que una simple cucharada de su material pesaría tanto como toda la humanidad.

 Las estrellas que tienen entre 10-25 masas solares (las hay con hasta 250 veces la masa del Sol) no tienen posibilidades de frenar el colapso gravitatorio, se contraen sobre si mismas hasta formar un objeto pesadillesco, tan denso que ni siquiera los rayos de luz pueden escapar de sus fauces: un fantástico agujero negro.

En nuestra galaxia el registro más famoso que tenemos de una supernova es la que dio origen a la Nebulosa del Cangrejo. El evento fue documentado por astrónomos del lejano oriente y algunos árabes, pero en aquella época no existian aparatos ópticos para facilitar la investigación. Un poco antes, por el año 1006, observadores de distintas partes del globo terrestre registraron la aparición de una estrella extremadamente brillante en la constelación de Lupus. Alcanzó una magnitud aparente de -7,5, que la convierte en la supernova más brillante divisada en nuestra galaxia. La siguiente supernova fue observada por el astrónomo danés Tycho Brahe, y el último evento fue registrado por Johannes Kepler en la constelación de Oficuo en 1604. Lamentablemente todos los episodios citados fueron anteriores al desarrollo de la era industrial, donde nuestros radiotelescopios y observatorios espaciales indagan en detalle los secretos del cosmos. Los astrónomos de antaño tuvieron que documentar a ojo desnudo y contentarse con hacer un mar de suposiciones sobre la naturaleza de lo que estaban viendo. A partir de entonces no se han registrado más supernovas en nuestra galaxia; esto no quiere decir que no hayan ocurrido (posiblemente se da una cada 50 años), pero las capas de polvo y gas en dirección al núcleo galáctico obscurecen buena parte de la visión en el óptico y es muy posible que varias supernovas, pese a toda su espectacularidad, hayan pasado completamente desapercibidas. Pero el universo es enorme y otras espectaculares supernovas han sido observadas mientras vuelan en pedazos en otras galaxias. Quizá la más provechosa desde el punto de vista del quehacer científico sea SN 1987A, descubierta en el año 1987 en la Gran Nube de Magallanes. Fue la primera ocasión en que los astrónomos modernos pudieron observar con detalle una supernova, con el añadido de encontrarse relativamente cerca, a "solo"168.000 años luz de nosotros.

La suma de todos los miedos, una bestia de pesadilla que desafía todas las estimaciones, fue descubierta el 2015 en una galaxia situada (por suerte) a nada menos que 3.800 millones de años luz de nosotros. Fue denominada ASASSN-15lh y se lleva por lejos el premio porque los científicos han calculado que alcanzó un brillo ¡570.000 millones de veces superior al de nuestro Sol! o veinte veces más brillante que toda nuestra Vía Láctea. Si ASASSN-15lh hubiese estado ubicada a la misma distancia de Sirio (8,6 años luz) su brillo sería semejante al de nuestro Sol.

La supernova 1994D en la galaxia NGC 4526 (NASA)

Impresión artística de ASASSN-15lh, tal como se vería desde un planeta de la misma galaxia, situado a 10.000 años luz de distancia (Wayne Rosing).

Restos de la supernova de 1604, descubierta por el astrónomo alemán Johannes Kepler (Wikipedia)

Lápida mortuoria de la supernova de 1574, obsrervada por el astrónomo danés Tycho Brahe (NASA)

Hemos explicado en forma somera el proceso de las supernovas. Habría mucho más que contar pero no quiero alargarme demasiado. Sin duda habrá ulteriores entradas donde podremos explayarnos más sobre el tema. Por ahora, decir que los astrónomos vigilan a Betelgeuse y a Eta Carinae, porque se piensa que están en los estertores de su agonía y podrían convertirse en supernovas en breve tiempo. Esta definición de "breve" es, por supuesto a escala cósmica y encierra un margen de tiempo que oscila entre miles a un millón de años, es imposible saberlo con mayor certeza. La gente se pregunta si la muerte de alguna de estas gigantes tendría repercusiones para la vida en la Tierra, donde la mayor preocupación estaría en las enormes cantidades de radiación letal que una supernova derrama por el espacio. Para evaluar este riesgo diremos que todo depende de las distancias involucradas: Si Betelgeuse estuviese, digamos, a unos 10 años luz de la Tierra, las consecuencias serían devastadoras para nosotros, pero afortunadamente todas las candidatas a supernovas están demasiado lejos de la Tierra, y el riesgo de que nos afecten en realidad es muy bajo.