Pequeños agujeros negros podrían hacer explotar estrellas enanas blancas

Imagen de rayos X en falso color del remanente de la supernova tipo Ia de Tycho, que se observó en 1572. Una nueva investigación sugiere que tales supernovas pueden ser iniciadas por agujeros negros primordiales.
Cortesía:
NASA / CXC / Rutgers / J Warren & J Hugheset al.

Astrofísicos de Brasil y México han propuesto una nueva explicación de cómo explotan las estrellas enanas blancas como supernovas de tipo Ia (SNe Ia). Su modelo sugiere que las explosiones se encienden cuando los agujeros negros primordiales (Primordial Black Holes, PBH ) chocan con las enanas blancas.

Los PBH son agujeros negros hipotéticos que son tan masivos como un asteroide y se cree que son remanentes de los primeros momentos del universo. Los PBH también son candidatos para la materia oscura. Entonces el modelo proporciona un vínculo potencial entre las observaciones de SNe Ia y la materia oscura.

La investigación fue realizada por dos investigadores. Uno es  Heinrich Steigerwald del Centro de Astrofísica y Cosmología de la Universidad Federal de Espírito Santo, Brasil. El otro, Emilio Tejeda en el Instituto de Física y Matemáticas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, México.

Las enanas blancas son estrellas densas al final de su vida que ya no sufren fusión nuclear. Si una enana blanca acumula material de una estrella compañera, su masa aumentará hasta alcanzar el límite de Chandrasekhar, alrededor de 1,4 masas solares. En este punto, la fusión se enciende en un proceso descontrolado que provoca una espectacular explosión de SNe Ia. La fusión de dos enanas blancas también puede resultar en supernovas de tipo Ia. Los astrofísicos han descubierto que las enanas blancas “sub-Chandrasekhar” por debajo de 1,4 masas solares también pueden encenderse.

Ignición misteriosa

Las SNe Ia se observan de forma rutinaria, y se utilizan para medir distancias en el Universo. Sin embargo, los astrofísicos no comprenden exactamente cómo se encienden las explosiones.

“Sabemos que existen las enanas blancas y los modelos actuales las describen de manera satisfactoria. También sabemos que las SNe Ia surgen de la explosión de enanas blancas, aunque las causas [de la explosión] siguen siendo un misterio”, dijo Steigerwald. «No tenemos la menor idea de si existen todavía estos PBH con la masa de asteroides. Pero si lo hubieren, nuestro estudio sostiene que son la razón de las explosiones de SNe Ia».

Un PBH con una masa de aproximadamente 1020 kg tendría un tamaño de aproximadamente de una micra. Si un objeto así se encontrara con una enana blanca, Steigerwald y Tejeda dicen que la influencia gravitacional de la estrella lo aceleraría a alrededor de una veintena de la velocidad de la luz. Steigerwald expresa que a una velocidad tan increíble, el agujero negro atravesaría a la enana blanca como una bala a través de la mantequilla. Esto podría provocar la detonación de la estrella.

Su modelo predice que la ignición tiene lugar dentro de una pequeña región de no más de un milímetro cuadrado. Esto sucede como consecuencia del paso del PBH a través de la enana blanca. «El resto es física conocida», explica Steigerwald. “Una vez encendida, la estrella enana blanca explota en unos pocos segundos. La mayor parte del carbono y el oxígeno se fusionan produciendo elementos más pesados, algunos de los cuales son radiactivos».

De verificarse el mecanismo sugerido por el equipo, también podría respaldar la idea de que la materia oscura comprende agujeros negros primordiales. Esto se debe a que la abundancia de SNe Ia observada corresponde a la abundancia predicha de materia oscura.

«Coincidencia notable»

“Demostramos que los PBH con la masa de asteroides, comprendida entre 1019 y 1023 kg, pueden encender las SNe Ia a partir de enanas blancas”, explica. “Si la masa de los PBHs es de aproximadamente 1020 kg, entonces los encuentros fortuitos con enanas blancas pueden explicar dos cosas. Por un lado la tasa [observada] de SNe Ia – aproximadamente una por galaxia por siglo – y por otro, la distribución de brillo de estos eventos». «Esta es una coincidencia bastante notable», agrega.

Otro aspecto importante de la investigación es que proporciona un mecanismo para la ignición de enanas blancas sub-Chandrasekhar, algo que no se había conocido antes.

“Me gusta mucho esta sugerencia y el pensamiento innovador y altamente creativo de [Steigerwald y Tejeda]”, dice Robert Fisher de la Universidad de Massachusetts Dartmouth. Añade que aunque el modelo debe tratarse con cautela, podría ayudar a imponer restricciones a los agujeros negros primordiales.

Mirando hacia el futuro

Steigerwald dice que hacer avanzar la investigación requerirá dos cosas. Una es el éxito en la búsqueda de PBHs. “En las próximas décadas, los observatorios de ondas gravitacionales basadas ​​en el espacio, podrían observar una característica importante. Se trata del fondo de ondas gravitacionales estocásticas que estos agujeros negros primordiales producirían durante su formación en el universo temprano”.

También señala que se requieren potentes simulaciones numéricas del proceso de encendido. “La última confirmación del mecanismo para funcionar o fallar sería su demostración con simulaciones numéricas reactivas completas en tres dimensiones. Esta es una tarea muy difícil, pero conozco algunos grupos [de investigación] que creo que tienen la capacidad para hacerlo”.

La investigación se describe en una versión preliminar de arXiv y se espera que se publique un artículo en Physical Review Letters.

Fuente: Physics World.

Artículo original: «Tiny black holes could cause white dwarf stars to explode«. Rob Lea. May 14, 2021.

Material relacionado

¿Qué son los agujeros negros primordiales?

Las teorías afirman que algunos agujeros negros podrían haberse formado dentro del primer segundo del Big Bang.
Crédito:
NASA / ESA y G. Bacon (STScI)
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Los agujeros negros que los astrónomos han visto caen en una de tres categorías: agujeros negros de masa estelar, los de masa intermedia y los supermasivos. Cada uno es más masivo que nuestro Sol y se formó al menos cientos de miles de años después del Big Bang. Esto ocurrió a medida que nuestro universo crecía y evolucionaba.

Pero hay otro tipo de agujero negro que los astrónomos aún no han visto, pero creen que podría existir. Estos son agujeros negros primordiales.

Como sugiere su nombre, los agujeros negros primordiales nacieron muy temprano en la vida del universo, una mera fracción de segundo después del Big Bang. Pasó mucho tiempo antes de que pudieran existir estrellas o galaxias (y otros tipos de agujeros negros). Pero algunas teorías predicen que los agujeros negros primordiales deberían haber aparecido en escena de todos modos. Eso es porque en esa fracción de segundo después de que comenzara el universo, el espacio no era completamente homogéneo (el mismo en todos los puntos). En cambio, algunas áreas eran más densas y calientes que otras, y estas regiones densas podrían haberse colapsado en agujeros negros. Estos objetos aún no vistos podrían ofrecer respuestas a las preguntas pendientes de los astrónomos.

El siguiente artículo lo aborda:

Agujeros Negros Primordiales y Materia Oscura

Samuel Velasco/Quanta Magazine. Fuente: LIGO -Virgo/Frank Elavsky, Aaron Geller/Northwestern.

Cuando el experimento LIGO comenzó a detectar ondas gravitacionales, se descubrieron agujeros negros más masivos que los conocidos hasta ese momento. El descubrimiento de estos extraños especímenes dio nueva vida a una vieja idea, una que, en los últimos años, había sido relegada al margen. Sabemos que las estrellas moribundas pueden crear agujeros negros. Pero quizás los agujeros negros también nacieron durante el propio Big Bang. Una población oculta de tales agujeros negros «primordiales» podría constituir posiblemente materia oscura, miniaturas ocultas en la escala cósmica. Después de todo, no se ha mostrado ninguna partícula de materia oscura, a pesar de décadas de búsqueda. ¿Qué pasaría si los ingredientes que realmente necesitábamos, los agujeros negros, estuvieran ante nuestras narices todo el tiempo?

La publicación a continuación lo desarrolla:

Tycho Brahe observa la supernova por primera vez.
Grabado del libro Astronomie Populaire de Camille Flammarion (1872).

Explicando el mecanismo tradicional de encendido de una supernova tipo Ia

Una nova es una estrella que de repente aparece a la vista. 
Los primeros observadores de estrellas pensaron que eran nuevas estrellas.

Hoy lo sabemos de otra manera. 
Imagen vía Ernesto Guido ( @ comets77 en Twitter).

Los astrónomos han visto un estallido clásico de nova en un tipo de estrella variable que involucra a una enana blanca que orbita una estrella de secuencia principal. Nova Reticuli 2020 ha sido brevemente visible desde el hemisferio sur.

¡Felicitaciones al cazador de cometas Robert McNaught, quien fue el primero en detectar la Nova Reticuli 2020! 
Crédito Imagen: Abc.net.au .

El siguiente artículo lo presenta y contiene recursos (entre otros, una explicación de la supernova de Tycho):

Sobre el ritmo de ocurrencia de supernovas en la Vía Láctea

Los Telescopio Espaciales Hubble, Spitzer y el Observatorio de rayos X Chandra, unieron fuerzas para sondear los restos en expansión del remanente de supernova de Kepler. La supernova fue vista por primera vez hace 400 años por observadores del cielo, incluido el astrónomo Johannes Kepler. La imagen combinada revela una capa de gas y polvo en forma de burbuja que tiene 14 años luz de ancho y se expande a 4 millones de millas por hora (2.000 kilómetros por segundo). Las observaciones de cada telescopio resaltan características distintas del remanente de supernova. Una capa de material rico en hierro de movimiento rápido de la estrella que explotó. Dicha capa está rodeada por una onda de choque en expansión que está barriendo gas y polvo interestelar. Más información.
Crédito: NASA / ESA / JHU / R.Sankrit & W. Blair.

En nuestra galaxia ocurren explosiones de supernovas unas cuantas veces cada siglo y, sin embargo, han pasado cientos de años desde la última observable. Una nueva investigación explica por qué: es una combinación de polvo, distancia y mala suerte.

Sobre las supernovas y los neutrinos

Imagínese tomando una bola de plasma caliente más masiva que el Sol y comprimiéndola repentinamente en un objeto superdenso del tamaño de una ciudad. Esto suena a ciencia ficción, pero es exactamente lo que sucede en los centros de estrellas masivas. Hace que exploten tan violentamente que liberan brevemente tanta luz como una galaxia entera.

Estas explosiones de supernovas han dado forma al universo tal como lo conocemos y han creado muchos de los elementos químicos que nos rodean.

Resulta que las partículas elementales diminutas y esquivas llamadas neutrinos juegan un papel crucial en estas explosiones. Solo se han detectado dos docenas de neutrinos de supernovas, pero se espera que se vean miles más en los detectores subterráneos gigantes del futuro.

La siguiente conferencia describe el papel que juegan los neutrinos en uno de los eventos más dramáticos del universo. También describe lo que los científicos esperan aprender al capturar ráfagas de neutrinos de la próxima supernova galáctica.

Curiosidades

Una forma innovadora de buscar rastros de supernovas

Impresión artística de un rayo cósmico y sus partículas secundarias lloviendo sobre el Observatorio Pierre Auger en Argentina, visto contra un cielo estrellado.
Crédito: A. Chantelauze, S. Staffi, L. Bret
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Los científicos han descubierto una manera de mirar hacia nuestro pasado galáctico y el método propuesto es literalmente innovador. Consiste en desenterrar cristales de sal a kilómetros de profundidad. Las muestras de núcleos de roca pueden tener marcas de rayos cósmicos de hasta miles de millones de años.

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