La supernova SN 1987A y el nacimiento de la astronomía de neutrinos hace 25 años

Las supernovas son muy importantes en nuestro conocimiento sobre el universo, pero de todas ellas lo único que hemos observado ha sido radiación electromagnética, salvo de SN 1987A, en la Gran Nube de Magallanes, hace 25 años, el año que nació la astronomía de neutrinos. Las imágenes de SN 1987A de APOD de ayer (el mosaico de abajo) y anteayer (la que abre esta entrada) son espectaculares, sin embargo, 25 años más tarde SN 1987A sigue ocultando muchas incógnitas. La ciencia puede sacar muchísima información de un evento único para una generación de científicos, pero mientras no se vuelva a repetir el número de incógnitas tiende a crecer en lugar de disminuir. En esta entrada me basaré en la estupenda charla que ha dado hoy Arnon Dar (Technion), “SN 1987A: the supernova that changed our views,” La Thuile 28 feb. 2012.

Algunas incógnitas que Arnon Dar destaca en su charla: nadie ha encontrado aún la estrella de neutrones o el agujero negro tras la explosión; la estrella que explotó era una supergigante azul, cuando la teoría estándar de la evolución estelar predice que solo las supergigantes rojas pueden explotar por implosión de su núcleo; nadie esperaba que se formara un espectacular anillo de residuos alrededor de la estrella progenitora y todavía no se conoce su origen; aún no se han detectado neutrinos originados en otras fuentes cósmicas en instalaciones como IceCube y no se sabe el porqué; el origen de la señal de neutrinos que se detectó LVD en el túnel del Mont Blanc y la posible detección de ondas gravitatorias todavía están bajo discusión; y muchas otras incógnitas.

Esta figura muestra que los 8 neutrinos que se detectaron en el experimento IMB tenían una energía mayor, en media, que los 12 detectados en Kamiokande II y que los 5 detectados en los Balcanes; la razón es que IMB podía detectar con mayor facilidad neutrinos de mayor energía. El detector LVD bajo el Mont Blanc observó 5 neutrinos unas 5 horas antes que los otros 3 detectores. Nadie sabe el porqué. Los modelos teóricos no pueden explicar este hecho, por lo que la mayoría de los astrónomos y físicos cree que se trata de una observación espuria que no está relacionada con SN 1987A. La única posibilidad de resolver esta cuestión será observar otra vez neutrinos producidos por otra supernova cercana.

Los modelos de simulación de supernovas mediante superordenadores predicen que una supernova que ha emitido tanta energía como SN 1987A (según la luz y los neutrinos recibidos en la Tierra) debería dejar como residuo una estrella compacta, como un púlsar (estrella de neutrones, o incluso una estrella de quarks) o un agujero negro de masa estelar. Sin embargo, dicho núcleo no ha sido observado aún, al contrario que en otras supernovas como Cas A (ver figura de arriba) en la que hay observaciones del objeto compacto central en todo el espectro electromagnético, desde ondas de radio, milimétricas, infrarrojos lejanos, óptico, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. ¿Por qué se ha “perdido” el objeto compacto central en SN 1987A?  Quizás se ha enfriado más rápido de lo esperado; o quizás está rodeado de densas nubes de gas que impiden verlo; o quizás sea formado un púlsar con un magnético tan pequeño que no puede ser detectado como púlsar; o quizás el objeto compacto se ha convertido en un agujero negro demasiado débil para ser observado y que ha acretado tan poco materia que es imposible observar señales de disco de acreción.

En septiembre del año pasado, hablar de SN 1987A se pudo de moda gracias a la medida de la colaboración OPERA de la velocidad de los neutrinos. El mejor límite experimental para la velocidad de los neutrinos (electrónicos) fue obtenido gracias a esta supernova, e indica que son sublumínicos. Sin embargo, OPERA observó neutrinos aparentemente superlumínicos (recorrieron unos 730 km en 60 ns menos que lo esperado). El gran problema de esta medida es que es incompatible con la posibilidad de los neutrinos sean taquiones (partículas superlumínicas compatibles con la teoría de la relatividad), ya que en su caso su masa imaginaria sería millones de veces mayor que la compatible con las observaciones cosmológicas; la única explicación posible es que debe haber un problema con la medida de OPERA, ya que no hay ninguna evidencia experimental en los aceleradores de partículas de que los neutrinos muónicos violen la relatividad de Einstein.

Cuando una estrella masiva explota como supernova, se producen un gran número de elementos radioactivos pesados, sobre todo 56Ni, 57Ni y 44Ti. Tras el flash inicial de luz debido a la onda de choque en expansión, la luz emitida cae hasta alcanzar un mínimo y vuelve a crecer debido a la desintegración de estos elementos radioactivos.   La primera vez que se observó la transición a esta fase fue gracias a SN 1987A (alrededor de los 6000 días tras la explosión). Para sorpresa de los astrofísicos, la curva de luminosidad de SN 1987A está creciendo sobre todo en rayos X y en el infrarrojo; nadie sabe aún la razón. ¿Puede una supernova explotar dos veces con una diferencia de horas? Álvaro de Rújula, como no, propuso en 1987 esta posibilidad para explicar los neutrinos observados en LVD 5 horas antes de los observados en los otros tres detectores (Physics Letters B 193: 514-524, 1987). Todavía no se ha dirimido esta cuestión, pero hay ciertas señales a favor en algunos estallidos de rayos gamma (GRBs).

Los grandes detectores de neutrinos basados en la radiación de Cherenkov, como IMB y Kamiokande, fueron construidos para observar la desintegración del protón, predicha por todas las teorías de gran unificación (GUT). Su uso como telescopios de neutrinos fue propuesto a principios de los 1980 (p.ej. en 1983 el propio Dar tiene un artículo en PRL sugiriéndolo). Tras la detección de neutrinos de SN 1987A gracias a Kamiokande e IMB la astronomía de neutrinos se convirtió una realidad. El universo es opaco a los rayos gamma de alta energía, sin embargo es transparente a los neutrinos. Los grandes telescopios de neutrinos (con un volumen mayor de un kilómetro cúbico) permiten explorar los neutrinos de alta energía originados en los núcleos galácticos activos (AGN) situados a distancias cosmológicas, los fogonzados intensos de rayos gamma, los cúmulos galácticos y el espacio intergaláctico. La astronomía de neutrinos promete desvelar el secreto del origen de los rayos cósmicos de alta energía.  Telescopios de neutrinos como AMANDA (ahora IceCube), Baikal , NESTOR y ANTARES deberían observar estos neutrinos de alta energía. Todavía no se ha observado ninguno. El cielo de los neutrinos de de alta energía aún es completamente negro y nadie sabe el porqué. Pero muchos creemos que no será así por muchos años.

También puedes leer en este blog: “El Observatorio Espacial Herschel estudia el “polvo de estrellas” generado por la supernova 1987A,” 2 septiembre 2011; “La evolución de la supernova 1987A desde 1994 a 2006 filmada por el telescopio espacial Hubble,” 12 septiembre 2010; “El misterio del remanente de la supernova SN 1987A: quizás es una estrella de quarks,” 29 marzo 2009; “El presente y el futuro de los grandes telescopios de neutrinos,”  16 octubre 2011; “Super-Kamiokande como telescopio de neutrinos,” 10 julio 2009; “El fracaso de IceCube, el telescopio de neutrinos cósmicos situado en el Polo Sur,” 20 julio 2011; y “ANITA, el experimento que utiliza a toda la Antártida como detector,” 13 agosto 2011.

 

Publicado en Nature: Resuelto el misterio de la formación de galaxias enanas y el efecto de la materia oscura fría

Una simulación realmente preciosa, obtenida gracias al método SPH (Smoothed-Particle Hydrodynamics), que además resuelve uno de los grandes problemas del modelo de materia oscura fría (CDM) que se asume en el modelo cosmológico estándar. La materia visible influye mucho menos que la materia oscura en la formación de galaxias, salvo en las galaxias enanas, como han demostrado Governato, de la Universidad de Washington, Seattle, EEUU, y sus colaboradores. En las galaxias enanas la densidad de materia no crece conforme nos acercamos a su centro. Parecía imposible explicar este comportamiento utilizando sólo materia oscura (cuyo momento cinético controla el de la propia galaxia en formación). Ahora sabemos que no se pueden ignorar los efectos  de la materia ordinaria en la formación de las galaxias enanas. Las estrellas gigantes de vida corta que aparecen en las primeras fases de la formación galáctica acaban en espectaculares explosiones como supernovas que producen fuertes vientos que retiran gran cantidad de gas de las regiones de formación estelar. Este efecto tiene una contribución en el momento cinético de la galaxia enana en su conjunto mucho más importante de lo que se pensaba y permite resolver el problema de la incompatibilidad entre el modelo de materia oscura fría y la formación de galaxias enanas sin bulgo central. Nos lo cuenta Marla Geha, “Galaxy formation: Gone with the wind?,” News and Views, Nature 463: 167-168, 14 January 2010, haciéndose eco del artículo técnico de F. Governato et al., “Bulgeless dwarf galaxies and dark matter cores from supernova-driven outflows,” Nature 463: 203-206, 14 January 2010. Muchos medios se han hecho eco de esta interesante noticia como “Resuelven con supercomputadores un problema sobre la formación de las galaxias,” SINC, 13 ene. 2010, que nos aclara que “Un equipo internacional de científicos ha resuelto el problema que planteaba la teoría de la materia oscura fría sobre la formación de las galaxias, según publican esta semana en la revista Nature. Hasta ahora no se sabía porque la mayor parte de las galaxias no tenían tantas estrellas y materia oscura como plantea la teoría, pero simulaciones realizadas con supercomputadores revelan que se podría deber a la expulsión de materia tras las explosiones de las estrellas.”

Como nos cuentan en un editorial de la propia Nature: “Las observaciones muestran que la mayoría de las galaxias enanas no presentan un bulgo central, como el resto de las galaxias. Las galaxias enanas están compuestas de un disco estelar en rotación inmersos en el núcleo de un halo de materia oscura fría de densidad casi constante. Estas observaciones no encajan bien con las predicciones de los modelos teóricos de formación galáctica basados en la hipótesis de que la materia oscura fría domina este proceso, que invariablemente generan las galaxias con un bulgo central, una región esférica en la que la densidad de materia es mucho mayor y está formada por bariones (materia ordinaria) de bajo momento cinético y materia oscura, ambas que acretan hacia el centro galáctico (normalmente ocupado por un superagujero negro). Governato et al. han desarrollado simulaciones hidrodinámicas que resuelven esta paradoja. Las supernovas que se producen durante las primeras etapas de la formación galáctica generan fuertes corrientes de materia que reducen el momento cinético del gas, inhibiendo la formación del bulgo central y reduciendo la densidad de materia oscura en el centro galáctico.”

Los investigadores han utilizado el simulador galáctico Gasoline, basado en el método numérico llamado SPH (Smoothed-Particle Hydrodynamics) y en la simulación de sistemas gravitatorios de N cuerpos. La aplicación de dicho código a esta simulación ha requerido del uso de supercomputadores. La película que abre esta entrada muestra la evolución de la densidad del gas (en azul) en la región en la que se forma una galaxia enana, desde primeros momentos de la Gran Explosión hasta el presente. La región mostrada tiene un radio de 15 kpc y los colores más brillantes corresponden a las densidades de gas más altas. La película muestra gran número de chorros (outflows) debidos a la explosión de supernovas que reducen el momento cinético del gas del centro galáctico.