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Supernovas de Estrellas Masivas – Una explicación sencilla

En un Post anterior hablamos de la vida y muerte de las estrellas y nos quedamos en el punto en el que una Estrella tras convertirse en una Gigante roja, se consumía hasta una Enana Blanca.

Pero, ¿qué ocurre cuando el residuo de la Gigante roja tiene una masa muy alta?

En 1932, el astrofísico americano de origen indio S. Chandrasekhar dio a conocer un admirable teorema, mediante el  que demostraba que la masa de ninguna enana blanca puede ser más de 1.4 veces la masa del Sol.  Una estrella de mayor masa que tendiera a convertirse en enana blanca no podría contrarrestar su propia fuerza de gravedad y se desmoronaría, transformándose en algo diferente.

Vamos a poner el ejemplo con el “cataclismo” que ocurrió en la Nebulosa del Cangrejo.

La estrella precursora del Cangrejo no perdió suficiente masa para quedar por debajo del punto crítico, por lo que su núcleo no pudo convertirse en enana blanca.

Qué pasó exactamente, no se sabe; pero seguro que fue un cataclismo.  Se piensa que los acontecimientos que llevaron a la explosión como supernova de una masa 20 veces la del Sol se sucedieron como sigue:

Tras haberse quemado en la estrella combustibles nucleares cada vez más pesados, la estrella esta formada por una serie de envolturas concéntricas hechas de diferentes núcleos.  Se trata de una estructura como la de una cebolla, donde las capas más interiores tienen los núcleos más pesados. En el centro de la estrella hay un núcleo de hierro y níquel de 1,5 masas solares, envuelto por una delgada capa de silicio y sulfuro.  Encima de ésta, hay otra capa delgada, ésta de neón y magnesio, a la que siguen 3 masas solares de carbono, oxígeno y neón, y luego 3 masas solares de helio.  Las 12 masas solares restantes, pertenecientes a la parte exterior de la estrella, son de hidrógeno.  En las fronteras entre las diversas zonas hay combustión nuclear, pero llega un momento en que el combustible se agota y el núcleo de la estrella se desmorona al vencer finalmente la gravedad a la cada vez más débil presión del interior.

La concentración del núcleo es tal que la densidad de éste sobrepasa incluso la densidad de una enana blanca.  De hecho se convierte en una Estrella de neutrones, dado que los electrones del núcleo de hierro y níquel son forzados a unirse con los protones presentes en los núcleos de esos dos elementos.  Y como la carga eléctrica negativa de los electrones y la carga positiva de los protones se anulan  mutuamente, quedan partículas eléctricamente neutras, llamadas  neutrones.

Si el producto final de una estrella de 20 masa solares es una estrella de neutrones de masa solar y media, y si asciende a 5 masas lo perdido por la precursora en la etapa de gigante roja, entonces habrá que contar todavía con 10 masas solares de las partes externas de la estrella: es la materia de la explosión de la supernova.

El flujo de esa materia al exterior, a unos 15.000 km/s, hace que el área de la superficie de la “ estrella ” crezca rápidamente.  La luz de una estrella es más brillante cuanto más alta sea su temperatura y mayor el área de su superficie, y el rápido crecimiento de esta última es la causa de la iluminación repentina que percibimos como explosión de supernova.

A tal velocidad de flujo, la estrella crece de forma que en un solo día se hace del tamaño del sistema solar (el diámetro de la órbita de Júpiter), y su área de superficie llega a ser más de un millón de veces la del Sol,  Durante aproximadamente una semana, el aumento del área de superficie surge proporcionando brillo a la estrella, pero al mismo tiempo ésta empieza a enfriarse a causa de su expansión. Hay un momento en que el crecimiento del área de superficie y el enfriamiento se compensan, por lo cual la supernova permanece en su máximo brillo; pero luego acaba predominando el enfriamiento y empieza a perder luminosidad.

Esta es la pregunta aún por contestar:  ¿cómo llega a convertirse el desmoronamiento gravitatorio del núcleo en la explosión cuyos impresionantes resultados vemos nosotros?

Las partes externas de la estrella se entregan a una caída libre cuando el núcleo se contrae hasta formar una estrella de neutrones. Todo el soporte de la estrella desaparece virtualmente en un instante, puesto que su núcleo interior se  derrumba en  algo así como  una milésima  de segundo.

¿ Por medio de qué mecanismo se invierte el sentido de la caída? ¿ Qué es lo que genera el núcleo, que lanza hacia arriba las capas que se desmoronan?

La respuesta a este punto lo dejamos para la segunda parte de este Post.

Los “famosos” neutrinos tienen mucho que ver….

El descubrimiento de los Púlsares (Parte 3). La Distancia del Púlsar

En la anterior entrada de esta serie había quedado ya claro que no eran señales de “hombrecillos verdes”. Ahora quedaba ver lo lejos o cerca que estaba.

El equipo de Cambridge procedió a realizar algunas mediciones, para lo cual se sirvió de dos radiorreceptores que funcionaban a la vez pero con frecuencias distintas. Los impulsos observados en las dos frecuencias llegaban en tiempos diferentes; es decir, un mismo impulso que viajara en la onda más larga, llegaba después que si lo hiciera en la más corta. De este modo, la asincronía entre las dos señales mostraba que las radiofrecuencias viajaban por el espacio interestelar a distintas velocidades, un efecto llamado dispersión (que se ampliará en una sección posterior).

Si el espacio estuviera realmente vacío, todas las ondas de radio viajarían a la velocidad de la luz; sin embargo el espacio interestelar no está vacío: contiene plasma, gas de baja densidad en el que hay electrones libres, y, a causa de esto, las ondas de radio que se mueven a través de él (en especial las largas) ven frenada su velocidad – la de la luz – en muy pequeña pero perceptible proporción.

Plasma

La cantidad de velocidad que pierden las ondas de radio depende de  la densidad de los electrones en el plasma. En el espacio interestelar suele ser 2,54 centímetros por segundo de los 300.000 kilómetros por segundo de la velocidad de la luz. La diferencia de tiempo así originada en la recepción entre los impulsos captados en las diferentes longitudes de onda se llama “medida de la dispersión“, y depende del cuadrado de la densidad de electrones multiplicado por la distancia de la estrella. Dando un valor determinado a la densidad de los electrones en el espacio (ya había sido estudiada anteriormente por otros medios), los astrónomos pudieron calcular la distancia de la radiofuente pulsante en unos doscientos años luz, situándola así entre las estrellas y no junto al Sistema Solar o completamente fuera de la Galaxia. Aunque es mínima la reducción que el plasma ejerce en la velocidad lumínica de las ondas de radio, las distancias que éstas recorren es tan grande que la diferencia de velocidad produce una asincronía mensurable de, por lo general, un segundo.

El descubrimiento de los Púlsares (Parte 2) – ¿Hombrecillos verdes?

En la Parte 1 concluimos que la persona a la que se le encomendó el trabajo de analizar los datos que suministraba el aparato fue Jocelyn Bell, una estudiante de postgrado.

El análisis de los datos proporcionado por el telescopio no era pequeña tarea, teniendo en cuenta que el instrumento producía 120  metros de cinta en cada exploración del cielo, a razón de 30 metros diarios. El trabajo de Bell consistía en examinar cada señal, desechando las producidas por elementos de manufactura humana tales como los aviones y las emisoras de televisión, y marcando en un mapa las de verdadero origen extraterrestre.

Hacia Octubre, Jocelyn Bell llevaba un retraso de 300 metros con respecto a la producción del aparato, pero seguía analizando los datos con la misma atención que al principio. Fue precisamente cuando notó lo que ella llamaba “parásitos”. Estos aparecieron cerca de medianoche, tiempo en el que el centelleo interplanetario suele descender a un nivel bajo (porque es cuando el radiotelescopio está dirigido al borde externo del sistema solar, donde el plasma es menos denso). Decía Bell en su relato:

    “A veces, durante la grabación, aparecían señales que yo no acertaba a clasificar: no eran ni centelleos ni interferencias de origen humano. Hasta que empecé a recordar que había encontrado antes esos parásitos, y procedentes de la misma parte del cielo.”

La fuente parecía tener un periodo de 23 horas y 56 minutos, y sólo los fenómenos relacionados con las estrellas se repiten al cabo de ese tiempo. Las interferencias que ocasiona el hombre, tienden, en cambio, a reproducirse cada 24 horas, porque la vida diaria está regida por el Sol. El momento en que Bell comprendió que los “ parásitos ” eran más que simples interferencias, y que ya se habían dado antes en las mismas coordenadas celestes, resultó ser muy importante.

Revisando las grabaciones Bell pudo comprobar que, en efecto, había visto esas mismas señales en Agosto. Luego discutió la naturaleza de éstas con Hewish, y al final decidieron utilizar la grabadora rápida del observatorio para obtener datos más claros al respecto. Cuando a mediados de Noviembre quedó libre el aparato en cuestión, se encargó Bell de localizar las señales y grabarlas. Durante días su dedicación resultó infructuosa, y Hewish pensó que las señales debían proceder de alguna estrella que fortuitamente se hubiera encendido en el Universo, y que era improbable que Bell las volviera a ver. Pero ella perseveró y al fin obtuvo una grabación satisfactoria, la cual mostraba que los “parásitos” eran una ráfaga de impulsos separados entre sí por 1,337 segundos exactamente, similar a muchas clases de interferencias terrestres. Al telefonear a Hewish para contarle lo que había hallado, él dijo “ Ah, esto lo aclara todo: son de origen artificial “.

Sin embargo, ambos siguieron efectuando grabaciones de los “parásitos”. Ahora bien, quedaba como principal problema que los impulsos continuaban produciéndose en un tiempo sidéreo (repitiéndose cada 23 horas y 56 minutos). ¿Eran verdaderamente siderales, o tenían una causa y un periodo sideral? Las únicas personas de la tierra que posiblemente podía imitar el tiempo sideral eran los astrónomos, aunque no resultaba fácil adivinar para qué habían de producir ráfagas de pulsaciones como éstas. Indagaciones hechas en otros observatorios no revelaron el desarrollo de ningún programa que justificara las señales. Buscando para ellas explicaciones de tipo sideral, pensaron si no se debían atribuir a estrellas variables conocidas. El inconveniente era que la más rápida tenía un periodo de casi un tercio de día. ¿Cómo podía pulsar una estrella con un periodo de 1,337 segundos?

Atrapados en la paradoja de que los impulsos eran extraterrestres pero parecían artificiales, los astrónomos de Cambridge se pusieron a considerar una nueva posibilidad: ¿no serían, al proceder del espacio, “ manufactura ” de una civilización extraterrestre? Hacia mediados de Diciembre, los científicos habían probado que los impulsos se repetían con absoluta regularidad, ajustándose al tiempo previsto hasta en una millonésima de segundo. Medio en broma, medio en serio los compañeros de Bell  comenzaron a designar a la estrella como “Hombrecillos Verdes – 1”. Pero, ¿ por qué unos “Hombrecillos Verdes” habían de producir y enviar una señal como esa? La mayor parte de las señales de radio cambian, a fin de transmitir información; las constantes son ayuda de navegación, como las señales LORAN (de Long Range Navigation). ¿Sería un radioemisor de navegación interestelar

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