Supernovas: Sembrando los Elementos y Midiendo el Universo

Las Supernovas son uno de los eventos más espectaculares que podemos observar en el universo. Estos desenlaces estelares llenan el cosmos con elementos que dan origen a estrellas, sistemas solares e incluso vida, además de proporcionar una de las mejores formas de medir las distancias del universo. Las supernovas sirven como medidores estándares a grandes distancias que revelan la expansión acelerada del universo. Los observadores han registrado alrededor de 1.000 supernovas con descripciones de estos eventos encontrados en textos de muchas civilizaciones que se extienden por cerca de 1.000 años. Actualmente los astrónomos estudian las explosiones de supernovas en galaxias y remanentes distantes en nuestra propia galaxia y otras cercanas utilizando telescopios muy sensibles. Los datos del LSST harán que las observaciones se reduzcan a la fecha ya que se estima que descubra más de 10 millones de supernovas durante su estudio de 10 años. Además "LSST encontrará 10 de cada tipos raros de supernovas, una en un millón de supernova", esto de acuerdo con Micahel Wood-Vasey. Usando este compendio sin precedentes de la agonía y muerte estelar, los científicos podrán expandir nuestro conocimiento de la evolución estelar, la estructura a gran escala del universo, y la energía oscura utilizando las observaciones de estos eventos cataclísmicos.

¿Qué es una supernova?

Una supernova es una explosión estelar espectacular, la cual por un breve periodo de tiempo puede eclipsar a su galaxia anfitriona. Nuestro conocimiento de estas explosiones catastróficas viene de las observaciones de los espectros y de las curvas de luz. En general, las supernovas aparecen en dos variedades o tipos: Tipo I, supernova con espectros carentes de líneas de hidrógeno, y las del Tipo II, con espectros que si muestran líneas de hidrógeno. Las diferencias en los espectros y las curvas de luz, definen sub-grupos dentro de estas categorías. Se sabe que las supernovas del Tipo I son estrellas enanas blancas cuya masa aumenta (acreción) a partir de su estrella compañera hasta que alcanza una masa crítica de 1.4 masas solares colapsando en forma catastrófica. Sobre las supernovas del Tipo Ib, Tipo Ic y Tipo II, se piensa que son el resultado del colapso del núcleo de estrellas de por lo menos ocho veces más masivas que nuestro sol. Los datos del LSST revelarán incluso más variaciones en el comportamiento y propiedades ya que su estudio aumenta las observaciones unas 10.000 veces de las observaciones actuales. Estos resultados les permitirán a los científicos explorar el cómo y por qué una estrella evoluciona en una supernova.

LSST descubrirá casi la misma cantidad de supernovas del Tipo II y Tipo Ia. LSST logrará obtener curvas de luz muy precisas para los dos tipos en muchos colores. La química de estas supernovas que colapsan en su núcleo proporcionará un conocimiento y entendimiento de la evolución química cósmica de los elementos del grupo del hierro. Las supernovas en las galaxias pueden ser usadas para medir la historia de la formación estelar del Universo.

A pesar que las supernovas del Tipo Ia son bien conocidas para medir la expansión acelerada del universo, aún se necesita comprender la luminosidad del peak de luminosidad para permitir la explotación del creciente set de datos de supernovas. Existe un debate considerable sobre la física de las supernovas. Con una gran cantidad de muestras, los investigadores podrán probar las causas subyacentes de la dispersión de la luminosidad peak y determinarán si las propiedades bien medidas de la supernova y de su galaxia anfitriona pueden ser usadas para reducir esta dispersión. La dependencia del tiempo o redshift cósmico indicaría la evolución de la población del progenitor. Existe buena evidencia de la variación de las propiedades de las supernovas del Tipo Ia como una función del tipo de galaxia Ð mayor luminosidad, abrillantamiento más lento y declinación lenta en las supernovas del Tipo Ia que se asocian con galaxias de formación de estrellas. LSST permitirá correlaciones de las propiedades de las supernovas con aquellas de sus galaxias anfitrionas. Wood-Vasey señala: "con millones de supernovas, solamente podemos tomar el 1% para formar un set uniforme de 10.00 supernovas del tipo Ias que serán independientes de las más importantes incertidumbres sistemáticas actuales que limitan a la cosmología de supernovas del tipo Ia". Este importante y amplio set de datos ayudará al entendimiento de los modelos de progenitores y explosiones de supernovas, y mejorará su precisión para la cosmología.

¿Qué revelarán los datos de supernovas del LSST sobre los primeros tiempos de la evolución estelar?

Las supernovas de producción de par son estrellas extremadamente masivas, 140-260 masas solares, las cuales los astrónomos las consideran en ambientes primordiales. En el universo actual, la prevalencia de elementos más pesados que el hidrógeno y el helio evita que estas estrellas masivas se formen por la radiación de absorción a partir de núcleos proto estelares y que expulsen el material adicional que cae. Los centros de los progenitores de supernovas de producción de par son tan calientes que pueden producir rayos gamma con energía suficiente para crear pares electrón-positrón como capas exteriores del colapso interno de la estrella durante las últimas fases de la vida de la estrella. LSST podrá descubrir estos extraños eventos distantes a través de su única cobertura profunda, amplia y rápida. Las curvas de luz de estas explosiones serán identificadas por medio de su aumento y caída en su brillo en unos cien días, lo cual podrá ser probado con detalle por la cadencia del estudio principal del LSST. Las supernovas de producción de par proporcionarán sondeos únicos en eventos extremos en la evolución estelar en los primeros tiempos del universo.

¿Cómo revelarán las supernovas la estructura a gran escala del Universo?

Type Ia supernovae can be used as standard candles (a class of objects with same/similar brightness) to determine their distance using the inverse square law. Type II supernovae can serve as distance indicators and validate Type Ia distances measured in the same surveys. Furthermore, since Type Ia supernovae explode in galaxies, they can be used to trace the large-scale structure of the Universe.

¿Qué nos dirán las supernovas sobre la cosmología de la energía oscura?

"La naturaleza subyacente de la energía oscura es desconocida, y es la única interacción fundamental que no se puede estudiar en laboratorios terrestres. Las observaciones astronómicas son las únicas herramientas disponibles para estudiar la energía oscura, y las observaciones de las supernovas, se encuentran entre los métodos más precisos", señala Rick Kessler.

Ya que las supernovas del tipo Ia son los mejores medidores estándares de grandes distancias, éstas proporcionaron la primera limitante observacional para el modelo de cosmología de la energía oscura. El desafío para los investigadores en la próxima década será entender las físicas de las supernovas, su relación con sus ambientes, y la naturaleza de la relación redshift-luminosidad par alas supernovas del tipo Ia. LSST proporcionará una gran cantidad de muestras de todos los redshifts necesarios para lograr este entendimiento o conocimiento. Los efectos sistemáticos pueden ser bien estudiados dividiendo el estudio del LSST en diversos y grandes sets de datos independientes, cada uno reflejando propiedades diferentes de la supernova y de su galaxia anfitriona, y comprobando la consistencia entre estos estudios.

Una de las propiedades más poderosas de las supernovas del tipo Ia como sondeos cosmológicos es que cada evento individual proporciona limitantes útiles. La comparación del estudio de las supernovas del tipo Ia del LSST con otros estudios cosmológicos revelará y reducirá los errores sistemáticos. Kessler declara, "una vez que esto se realice, los investigadores podrán evaluar la uniformidad especial y temporal de la energía oscura con una gran precisión"

Las supernovas son eventos espectaculares, que inspiran el asombro de la energía que ellas liberan, por la belleza de los remanentes que dejan detrás y por el conocimiento de las estrellas, la estructura y la cosmología que pueden producir. "Cada supernova es un sondeo de su lugar en el Universo y del cosmos entre ellos y nosotros", según Wood-Vasey. Los descubrimientos del LSST proporcionarán datos para iluminar la naturaleza y expandir los usos científicos de las supernovas por generaciones.

Artículo escrito por Anna H. Spitz y Michael Wood-Vasey