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Estrellas menos masivas de lo esperado podrían ser progenitoras de las grandes explosiones estelares

por 23 julio, 2022

Estrellas menos masivas de lo esperado podrían ser progenitoras de las grandes explosiones estelares
Teniendo una gran cantidad de observaciones y de modelos de supernovas de tipo II, se realizó un análisis estadístico sobre cuáles son las propiedades físicas que más influyen en la diversidad observacional de este tipo de eventos.
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Las supernovas (SNs) son explosiones estelares muy energéticas que marcan el final de la evolución de algunas estrellas y se dividen en dos grandes grupos según la presencia o ausencia de hidrógeno en sus espectros. Las supernovas de tipo I no muestran señales de hidrógeno, al contrario que las de tipo II. Estas últimas son las explosiones estelares más abundantes del Universo y provienen de estrellas evolucionadas en etapa de supergigantes rojas, con masas inferiores a 25 veces la masa del Sol y superiores a 8 veces la masa del Sol.

Se sabe que las supernovas de tipo II presentan una gran diversidad observacional, tanto fotométrica como espectroscópica. Esto ha sido estudiado en los últimos años por varios autores, incluso utilizando algunas de las observaciones del Carnegie Supernova Project I (CSP-I). Esta diversidad observacional es producto de una gran variedad de propiedades físicas que determinan la explosión.

Si bien este tipo de explosiones no han sido usadas tradicionalmente para la medida de distancia cosmológicas -para las que se utilizan SNs de tipo Ia- existen varios métodos propuestos que las utilizan como potenciales buenos estimadores de distancia. Por lo anterior, conocer el tipo de estrella progenitora y, particularmente el rango de parámetros -masas, radios y energías- que dan lugar a estas explosiones estelares, es muy importante para varios campos de la astronomía. Sin embargo, no existen estudios completos que hayan provisto de rangos confiables para dichos parámetros.

El objetivo de una reciente investigación, que derivó en tres publicaciones en la prestigiosa revista científica Astronomy & Astrophysics, fue derivar características físicas de las estrellas y de la explosión de supernovas de tipo II, comparando las observaciones con modelos de explosión. Esto, basándose en curvas de luz (ópticas e infrarrojas) obtenidas en el Observatorio Las Campanas con los telescopios Swope y du Pont durante la primera fase del CSP-I.

El estudio fue liderado por Laureano Martinez, estudiante de doctorado del Instituto de Astrofísica de La Plata, Argentina, y en él participó Mark Phillips, director emerito del Observatorio Las Campanas (LCO); Nidia Morrell, astrónoma residente de LCO; y Carlos Contreras, astrónomo de soporte.

Simulación de explosiones estelares

La muestra utilizada en la investigación está caracterizada por la gran cantidad y calidad de los datos fotométricos y espectroscópicos, la gran cadencia de observación y la extensa cobertura fotométrica sobre un amplio rango de longitudes de onda.

Se obtuvo una muestra de 74 supernovas de tipo II la que, según Martinez, representa la muestra más grande de este tipo de supernovas, la que además es homogénea ya que los objetos fueron observados por los mismos instrumentos y el mismo programa de observación.

Para la investigación, se modelaron cada uno de los objetos con un código que simula explosiones estelares y se derivaron parámetros físicos de sus progenitores (masas y radios) y propiedades de la explosión (energía, cantidad y distribución del material radioactivo generado en la explosión). Para la derivación de los parámetros se compararon los modelos con las observaciones usando un método estadístico para determinar el modelo que mejor representa las observaciones.

En total se pudo derivar propiedades físicas para 53 supernovas de tipo II, dentro de las cuales, 24 poseen resultados más confiables, debido a la cobertura temporal de las observaciones y a la calidad de los modelos que mejor las reproducen.

En la investigación se analizaron relaciones entre diferentes parámetros físicos y se identificó a la energía de la explosión como el factor dominante que determina la forma de la emisión de la SNs de tipo II.

“Con estos trabajos hemos podido adentrarnos al estudio estadístico de las propiedades físicas de los progenitores y de la explosión de supernovas de tipo II. Hemos encontrado que la mayoría de las supernovas analizadas son compatibles con explosiones de estrellas con masas finales relativamente pequeñas (dentro del rango de masas estudiado). Asumiendo la teoría de evolución estelar estándar, esto implica que la mayoría de las supernovas de tipo II analizadas provienen de estrellas con masas iniciales pequeñas. Sin embargo, esto no es compatible con la conocida distribución de masas iniciales de las estrellas masivas (o función de masa inicial)”, indica Martinez.



El astrofísico agrega que las diferencias con las distribuciones observadas podrían ser indicadores sobre cómo las estrellas pierden masa durante su evolución.

“Nosotros interpretamos este resultado como indicador de que algún ingrediente físico en la evolución estelar estándar debe estar faltando. Postulamos que esto posiblemente se deba a que las estrellas pierden mucho más masa durante su evolución que la que predicen los modelos evolutivos actuales”, puntualiza Melina Bersten, investigadora del

Instituto de Astrofísica de La Plata, Argentina, co-autora de las publicaciones y directora de doctorado de Martinez.

En este trabajo, indican los autores, se derivó el rango de parámetros físicos para la base de datos de supernovas de tipo II más completa existente en la literatura.

Laureano Martinez comenta que para la construcción de los modelos se asumió que las estrellas no rotan y evolucionan en sistemas aislados, omitiendo los efectos de la rotación estelar y la posible interacción con una estrella compañera dentro de un sistema binario, lo que podría causar grandes modificaciones en la evolución de las estrellas. Por esto, el trabajo a futuro considera analizar más en profundidad el “problema” encontrado con las masas inferidas a partir del modelado de las SNs.

“Actualmente, encontramos una discrepancia importante, que denominamos IMF incompatibility (o incompatibilidad de la función inicial de masa). Esta incompatibilidad se debe al gran número de objetos con masas bajas encontrados en nuestro análisis. Como las masas derivadas son en realidad las masas de las estrellas al momento de explotar, creemos que en realidad el problema está en la asociación de dicha masa con la masa de la estrella antes de nacer. Para poder conectar ambas masas es necesario asumir modelos que siguen la evolución completa de las estrellas desde su nacimiento hasta que explotan”, manifiesta Bersten.

“Pretendemos estudiar el efecto en nuestros resultado de asumir valores diferentes a los estándar de diferentes procesos físicos durante la evolución estelar como podría ser cambiar las tasas de pérdida de masa, asumir evolución binaria en vez de evolución aislada como fue hecho en estos trabajos, asumir modelos evolutivos con rotación, asumir diferentes valores para el parámetro longitud de mezcla o overshooting. La idea es ir testeando uno a uno esos procesos e ir viendo el efecto en los resultados obtenidos para intentar identificar el parámetro dominante, si es que existe, responsable de la incompatibilidad encontrada. También nos gustaría poder completar nuestro estudio con la inclusión de un mayor número de objetos, ya sea usando muestras existentes en la literatura o a partir de nuevas observaciones”, concluye.

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