El nacimiento de un magnetar confirma el vínculo con algunas de las estrellas en explosión más brillantes del universo

Los astrónomos han visto por primera vez el nacimiento de un magnetar (una estrella de neutrones giratoria y altamente magnetizada) y han confirmado que es la fuente de energía detrás de algunas de las estrellas en explosión más brillantes del cosmos.

El hallazgo corrobora una teoría propuesta por un físico de la Universidad de California en Berkeley (Estados Unidos) hace 16 años y establece un nuevo fenómeno en las estrellas en explosión: supernovas con un "chirrido" en su curva de luz, causado por la relatividad general. Un artículo que describe este fenómeno se publica en la revista 'Nature'.

Las supernovas superluminosas, que pueden ser diez veces o más brillantes que las supernovas comunes, han desconcertado a los astrónomos desde su descubrimiento a principios de la década del 2000. Se creía que eran el resultado de la explosión de estrellas muy masivas, quizás 25 veces la masa de nuestro Sol, pero mantuvieron su brillo mucho más tiempo del esperado cuando el núcleo de hierro de una estrella colapsa y sus capas externas son posteriormente expulsadas.

En 2010, Dan Kasen, ahora astrofísico teórico de la UC Berkeley y profesor de física, fue el primero en proponer que un magnetar estaba impulsando el brillo duradero. Según la teoría, cuando una estrella masiva colapsa al final de su vida, aplasta gran parte de su masa en una estrella de neutrones muy compacta, un destino justo antes de colapsar en un agujero negro. Si la estrella originalmente tenía un campo magnético muy fuerte, se habría amplificado durante la formación del magnetar, produciendo un campo de 100 a 1.000 veces más fuerte que el de las estrellas de neutrones giratorias normales, las llamadas púlsares. Los púlsares y sus hermanos mayores altamente magnetizados, los magnetares, tienen solo unos 16 kilómetros de diámetro, pero, en su juventud, pueden girar más de 1.000 veces por segundo.

A medida que el magnetar gira, el campo magnético giratorio puede acelerar partículas cargadas que chocan contra los escombros de la supernova en expansión, aumentando su brillo. También se cree que los magnetares son la fuente de ráfagas rápidas de radio.

El estudiante de posgrado Joseph Farah, de la Universidad de California en Santa Bárbara y del Observatorio Las Cumbres (LCO) en Estados Unidos, quien llegará a la Universidad de California en Berkeley este otoño como becario postdoctoral Miller en el grupo de Kasen, confirmó la conexión entre los magnetares y las supernovas superluminosas de tipo I (SLSNe-I) tras analizar datos de una supernova de 2024 denominada SN 2024afav. En el artículo de Nature, Farah y sus colaboradores propusieron una explicación relativista general para las inusuales protuberancias en la curva de luz de esta supernova (lo que denominan chirrido) que la vinculan de forma concluyente con un magnetar.

"Lo realmente emocionante es que esta es la evidencia definitiva de la formación de un magnetar como resultado del colapso del núcleo de una supernova superluminosa", asegura Alex Filippenko, profesor distinguido de astronomía de la Universidad de California en Berkeley, coautor del artículo y uno de los futuros mentores de Farah. "El modelo de Dan Kansen se basa en que solo se necesita la energía del magnetar en su interior y una buena parte de ella será absorbida, lo que explica por qué es superluminoso. Lo que no se había demostrado era que, de hecho, se formara un magnetar en el centro de la supernova, y eso es lo que demuestra el artículo de Joseph".

Durante años, la idea del magnetar se ha sentido casi como un truco de magia teórico: ocultar un potente motor tras capas de restos de supernova. Era una explicación natural del extraordinario brillo de estas explosiones, pero no podíamos verlo directamente, según Kasen. El chirrido en esta señal de supernova es como si ese motor descorriera la cortina y revelara que realmente está ahí.

Tras el descubrimiento de SN 2024afav en diciembre de 2024, el Observatorio Las Cumbres (una red de 27 telescopios en todo el mundo) la rastreó y midió su brillo durante más de 200 días. La estrella en explosión se encontraba a unos mil millones de años luz de la Tierra.

Farah, observó que, tras alcanzar su máximo brillo unos 50 días después de la explosión, no se desvaneció gradualmente como las supernovas típicas. En cambio, su brillo osciló lentamente hacia abajo, con el período de las oscilaciones acortándose gradualmente, produciendo una serie de cuatro protuberancias. Comparó esto con un sonido que aumenta gradualmente de frecuencia, similar al canto de un pájaro.

Se sabía que las supernovas superluminosas anteriores presentaban un par de protuberancias en su curva de luz en decaimiento, que algunos interpretaron como la colisión del choque de la supernova con capas de gas agrupadas alrededor de la estrella, aumentando brevemente su brillo. Sin embargo, nadie había observado hasta cuatro.

Según el modelo de Farah, parte del material de la explosión de SN 2024afav retrocedió hacia el magnetar, formando un disco de materia llamado disco de acreción. Dado que es improbable que el material alrededor del magnetar sea simétrico, el disco de acreción tampoco lo sería respecto a la estrella de neutrones en rotación, lo que provocaría una desalineación entre el eje de giro del magnetar y el eje de giro del disco de acreción.

Dado que la relatividad general establece que una masa giratoria arrastra consigo el espacio-tiempo, el magnetar giratorio produciría un efecto conocido como precesión Lense-Thirring; es decir, haría oscilar el disco desalineado. Un disco oscilante podría bloquear y reflejar periódicamente la luz del magnetar, convirtiendo todo el sistema en un faro cósmico estroboscópico. El tiempo que tarda en repetirse disminuye con el radio del disco; por lo tanto, a medida que este se desliza hacia el magnetar, oscila más rápido, provocando que la luz oscile más rápidamente al desvanecerse, creando el "chirrido" observado por los telescopios terrestres.

"Probamos varias ideas, incluyendo efectos puramente newtonianos y la precesión impulsada por los campos magnéticos del magnetar, pero solo la precesión Lense-Thirring coincidió perfectamente con la sincronización", comenta Farah. "Es la primera vez que se necesita la relatividad general para describir la mecánica de una supernova".

Los astrónomos también utilizaron datos observacionales para estimar el período de rotación de la estrella de neutrones (4,2 milisegundos) y su campo magnético, aproximadamente 300 billones de veces el de la Tierra. Ambos son características distintivas de un magnetar.

Farah espera encontrar docenas más de estas supernovas "chirriantes" mientras el Observatorio Vera C. Rubin se prepara para entrar en funcionamiento y comenzar el estudio más completo del cielo nocturno hasta la fecha.