Crédito de imagen: Hubble
Un nuevo artículo publicado en la revista Nature ayuda a resolver un misterio a largo plazo sobre algunas de las primeras partículas sólidas del Universo. Se había encontrado polvo caliente en el pasado, pero el polvo más frío era mayormente invisible, hasta ahora. Parece que las supernovas son extremadamente eficientes para producir el polvo que luego formará planetas, rocas y personas.
Acabamos de descubrir que algunas supernovas tienen malos hábitos: expulsan grandes cantidades de humo, conocido como polvo cósmico. Esto resuelve un antiguo misterio sobre el origen del polvo cósmico y sugiere que las supernovas, que son estrellas en explosión, fueron responsables de producir las primeras partículas sólidas en el Universo.
Los principales sospechosos
Las supernovas son las violentas explosiones de estrellas que ocurren al final de sus vidas. Ocurren aproximadamente cada 50 años más o menos en nuestra galaxia y hay dos tipos principales: Tipo Ia y II. Tipo II son las explosiones de estrellas muy masivas con una masa mayor de 8 veces la masa del Sol (Msun). Estas estrellas "viven rápido, mueren jóvenes" usando su combustible de hidrógeno y helio en solo unos pocos millones de años, miles de veces más rápido de lo que el Sol quema su combustible. Cuando se agota el suministro de combustible, la estrella debe quemar elementos cada vez más pesados hasta que, finalmente, cuando ya no pueda hacer nada para mantenerse viva, las partes internas del colapso de la estrella formen una estrella de neutrones o un agujero negro, y las partes externas se arrojen en el cataclismo llamamos supernova. La enorme explosión barre el gas circundante en un caparazón que brilla en rayos X, longitudes de onda ópticas y de radio, y envía ondas de choque a través de la galaxia. Las supernovas liberan más energía en un solo instante que el Sol producirá en toda su vida. Si la estrella masiva más cercana, Betelgeuse en la constelación de Orión, fuera supernova, sería (por un corto tiempo) más brillante que la luna llena.
La cortina de humo cósmica
El polvo interestelar se compone de pequeñas partículas de material sólido que flotan en el espacio entre las estrellas, con tamaños típicamente de humo de cigarrillo. ¡No es lo mismo que el polvo que limpiamos en nuestras casas, y de hecho, la Tierra es una masa gigante de polvo cósmico! Es responsable de bloquear aproximadamente la mitad de toda la luz emitida por las estrellas y galaxias y afecta profundamente nuestra visión del Universo. Sin embargo, esta nube 'polvorienta' tiene un revestimiento plateado, ya que los astrónomos pueden 'ver' el polvo que irradia la luz estelar robada utilizando cámaras especiales diseñadas para trabajar en longitudes de onda más largas, en el infrarrojo (IR: 10-100 micras) y el submilímetro ( sub-mm: 0.3 - 1 mm) parte del espectro electromagnético. Una de esas cámaras se llama SCUBA y se encuentra en el telescopio James Clerk Maxwell en Hawai. SCUBA es un instrumento construido en el Reino Unido que detecta las ondas de luz en longitudes de onda inferiores a mm y es capaz de ver el polvo justo donde se encuentran las estrellas y galaxias más lejanas.
Principios polvorientos
Observaciones recientes con SCUBA han demostrado que existe una gran cantidad de polvo en las galaxias y los cuásares cuando el Universo tenía solo 1/10 de su edad actual, mucho antes de que la Tierra y el sistema solar se formaran. La presencia de todo este polvo en el Universo distante tiene un gran impacto en lo que los astrónomos pueden ver con sus telescopios ópticos gigantes, ya que limita la cantidad de luz estelar que puede escapar de una galaxia distante y ser vista en la Tierra.
Que había tantas partículas sólidas en el Universo en una época tan temprana fue una gran sorpresa para los astrónomos, ya que creían que el polvo se formaba principalmente en los vientos fríos de las estrellas gigantes rojas cerca del final de sus vidas. Como a la estrella le lleva mucho tiempo alcanzar esta etapa de su evolución (el Sol tomará alrededor de 9 mil millones de años) simplemente no ha habido suficiente tiempo para que se haya hecho tanto polvo de esta manera.
‘El polvo ha sido barrido debajo de la alfombra cósmica: durante años, los astrónomos lo han tratado como una molestia debido a la forma en que oculta la luz de las estrellas. Pero luego descubrimos que hay polvo justo en el borde del Universo, en las primeras estrellas y galaxias, y nos dimos cuenta de que ignoramos incluso su origen básico ", explicó el Dr. Dunne.
Las supernovas también producen grandes cantidades de elementos pesados, como carbono y oxígeno, y los arrojan al espacio interestelar. Estos son los elementos que componen nuestros cuerpos y, dado que también son los elementos que forman los granos de polvo, las supernovas han sido durante mucho tiempo un sospechoso principal en el misterio del origen del polvo cósmico. Como solo lleva unos pocos millones de años para que las estrellas más masivas lleguen al final de la vida y exploten como supernovas, podrían generar polvo lo suficientemente rápido como para explicar lo que se ve en el Universo temprano. Sin embargo, hasta el trabajo de este equipo, solo se habían encontrado pequeñas cantidades de polvo en las supernovas, dejando a los astrónomos con una pistola humeante pero sin "humo"
Haley Morgan, estudiante de doctorado en Cardiff, dijo: "Si las supernovas fueran polvo eficiente", fábricas ", cada una produciría más que la masa del Sol en polvo".
"A medida que las estrellas masivas evolucionan para convertirse en supernovas en un abrir y cerrar de ojos según los estándares astronómicos, podrían explicar fácilmente por qué el Universo temprano parece tan polvoriento", agregó el Dr. Rob Ivison del Observatorio Real de Edimburgo.
Detectives de supernovas
El equipo de Cardiff y Edimburgo usó SCUBA para buscar la emisión del polvo en los restos de una supernova reciente. Cassiopeia A es el remanente de una supernova que sucedió hace unos 320 años. Se encuentra en la constelación de Casiopea, a 11,000 años luz de la Tierra y tiene unos 10 años luz de diámetro. Cas A es la fuente de radio más brillante del cielo, por lo que está bien estudiada en muchas longitudes de onda desde la óptica hasta los rayos X. Las imágenes a continuación muestran Cas A en rayos X, óptico, infrarrojo y radio. Los rayos X siguen al gas realmente caliente (10 millones de grados Kelvin), y las otras longitudes de onda trazan el material a: 10 mil grados (óptico), polvo caliente a 100 K (IR) y electrones de alta energía (radio).
Aunque los astrónomos habían estado buscando polvo en los restos de supernova durante décadas, habían utilizado instrumentos que solo podían detectar el polvo que estaba bastante caliente, como el de la imagen infrarroja ISO de arriba. El SCUBA tiene la ventaja aquí porque es capaz de ver el polvo que está muy frío y esto se debe a que funciona a longitudes de onda inferiores a mm.
"De la misma manera que solo se puede ver brillar un póker de hierro cuando ha estado en un incendio, solo se puede ver polvo con cámaras infrarrojas cuando hace más calor que unos 25 Kelvin, pero el SCUBA también puede verlo cuando hace más frío" explicó el Dr. Steve Eales, lector de astrofísica de la Universidad de Cardiff.
Evidencia fría y dura
¡El SCUBA encontró una gran cantidad de polvo en el remanente de Cas A, 1-4 veces más que la masa del Sol! Esto es más de 1,000 veces más de lo que se había visto antes. Esto significa que Cas A fue muy eficiente en la creación de polvo a partir de los elementos disponibles. La temperatura del polvo es muy baja, solo 18 Kelvin (-257 grados Celsius), y esta es la razón por la que nunca antes se había visto. A continuación se muestran las dos imágenes de Cas A inferiores a mm a 850 y 450 micras tomadas con SCUBA. Puede ver que la imagen de la izquierda se parece un poco a la radio de arriba, y esto se debe a que los electrones de alta energía que hacen que la imagen de la radio también emitan parte de su energía a longitudes de onda ligeramente más cortas, contaminando la emisión sub mm a 850 micrones. La imagen del medio está a 450 micras, donde la contaminación es mucho menor, por lo que la mayor parte de esta emisión proviene del polvo frío. Si eliminamos la contaminación, obtenemos una imagen diferente (derecha). ¡Todo el polvo se ve en la mitad inferior del remanente y las dos imágenes sub-mm ahora se ven mucho más similares!
850 micras sin contaminación por radio
"El enigma es cómo el polvo puede permanecer tan frío cuando sabemos que hay gas a más de un millón de grados presente de la radiación de rayos X que emite", comentó el profesor Mike Edmunds, director de la Escuela de Física y Astronomía en Cardiff.
El polvo también tiene diferentes propiedades para el tipo de polvo "cotidiano" en la Vía Láctea y otras galaxias: es mejor "brillar" en el sub-mm, tal vez porque todavía es muy joven y relativamente prístino. Si todas las supernovas fueran tan eficientes en la producción de polvo, serían las "fábricas" de polvo más grandes de la Galaxia. Las supernovas humeantes proporcionan una solución al misterio de las enormes cantidades de polvo que se ven en el Universo temprano.
"Estas observaciones nos dan una visión tentadora de cómo se crearon las primeras partículas sólidas en el Universo", dijo Haley Morgan.
Fuente original: Comunicado de prensa de la Universidad de Cardiff
