Con imágenes del James Webb, la ciencia revisa lo que sabía hasta ahora sobre la explosión de una estrella

Como un regalo de Fin de Año, muy apropiado para “colocar” en nuestro árbol navideño imaginario, fue fotografíado un objeto redondo y brillante por el más avanzado telescopio del mundo.

Se trata del remanente de la supernova Cassiopeia A (Cas A) que brilla en una nueva imagen del Telescopio Espacial James Webb de la NASA.

Utilizando el poderoso instrumento NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) del Webb, Cas A muestra esta explosión estelar en una resolución previamente inalcanzable en estas longitudes de onda. Según los expertos que lo operan, esta imagen de alta resolución revela detalles intrincados de la capa de material en expansión que choca contra el gas desprendido por la estrella antes de explotar.

Ubicada a 11.000 años luz del Sistema Solar, Cassiopeia A es uno de los objetos más conocidos y estudiados de la galaxia. Los registros de finales del siglo XVII indican que fue descubierto por varios astrónomos, pero el remanente de supernova en sí no se registró oficialmente hasta bastante tiempo después, en 1948.

Sin embargo, ha fascinado a los astrónomos desde entonces, ofreciendo una rara oportunidad de estudiar la evolución de una estrella que explotó a medida que sus restos se expanden hacia el espacio a velocidades supersónicas. Cas A es uno de los restos de supernova mejor estudiados de todo el cosmos. A lo largo de los años, los observatorios terrestres y espaciales, incluido el Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA, el Telescopio Espacial Hubble y el Telescopio Espacial Spitzer retirado, han recopilado una imagen de múltiples longitudes de onda del remanente del objeto.

Sin embargo, los astrónomos han entrado ahora en una nueva era en el estudio de Cas A. En abril de 2023, el MIRI (instrumento de infrarrojo medio) de Webb comenzó este capítulo, revelando características nuevas e inesperadas dentro de la capa interna del remanente de supernova. Muchas de esas características son invisibles en la nueva imagen NIRCam y los astrónomos están investigando por qué.

La nueva imagen del infrarrojo cercano parece mucho más efímera que observaciones anteriores en otras longitudes de onda, pero eso ayuda a los científicos a estudiar la dinámica del remanente. Y hay una característica nueva particularmente sorprendente. En la esquina inferior derecha de la imagen hay una mancha rayada que los científicos llaman Baby Cas A, porque se parece un poco al bebé de Cas A.

Podría parecer que está cerca del remanente de supernova, pero en realidad está a unos 170 años luz más lejos. Y no es una supernova en sí misma: es la luz de Cas A que ha viajado a través del espacio y ahora choca contra una masa de polvo distante, iluminándola. Este fenómeno se conoce como eco de luz, y algunos de ellos han sido captados en la nueva imagen.

Hay rizos viscosos de color naranja rosado brillante; esa es la capa interna de la explosión: acumulaciones de gas y polvo que contienen elementos como azufre, oxígeno, argón y neón que algún día se incorporarán a las estrellas recién formadas.

“Con la resolución de NIRCam, ahora podemos ver cómo la estrella moribunda se hizo añicos por completo cuando explotó, dejando detrás filamentos similares a pequeños fragmentos de vidrio”, dice el astrónomo Danny Milisavljevic de la Universidad Purdue. “Es realmente increíble que después de todos estos años estudiando Cas A ahora se puedan resolver esos detalles, que nos proporcionan una visión transformadora de cómo explotó esta estrella”.

La capa exterior ahumada del remanente es la parte que se está expandiendo hacia el espacio interestelar. Es brillante en longitudes de onda del infrarrojo medio, pero demasiado frío para iluminarse en el infrarrojo cercano. La luz blanca de la imagen es producida por radiación sincrotrón, que es cuando los electrones se aceleran en espiral alrededor de las líneas del campo magnético.

También se revela la causa de una mancha de luz que brilla intensamente y de color verde en el infrarrojo medio en el centro-derecha de la burbuja que desconcertó a los científicos. En la nueva imagen de NIRCam, esa región está salpicada de lo que parecen agujeros, rodeados de blanco y violeta que indican gas ionizado.

Los astrónomos ahora piensan que la combinación de luz es causada por la expansión de la eyección de la supernova que alcanza y perfora el material expulsado por la estrella antes de que explotara.

La luz infrarroja es invisible para nuestros ojos, por lo que los procesadores de imágenes y los científicos traducen estas longitudes de onda de luz en colores visibles. En esta imagen más reciente de Cas A, se asignaron colores a diferentes filtros de NIRCam, y cada uno de esos colores insinúa una actividad diferente que ocurre dentro del objeto.

A primera vista, la imagen NIRCam puede parecer menos colorida que la imagen MIRI. Sin embargo, esto simplemente se reduce a las longitudes de onda en las que el material del objeto emite su luz.

Los colores más notables en la imagen más reciente de Webb son grupos representados en naranja brillante y rosa claro que forman la capa interna del remanente de supernova. La visión nítida de Webb puede detectar los más pequeños nudos de gas, compuestos de azufre, oxígeno, argón y neón de la propia estrella. Incrustado en este gas hay una mezcla de polvo y moléculas, que eventualmente se convertirán en componentes de nuevas estrellas y sistemas planetarios. Algunos filamentos de escombros son demasiado pequeños para que Webb los pueda resolver, lo que significa que tienen un diámetro comparable o inferior a 10 mil millones de millas (alrededor de 100 unidades astronómicas). En comparación, la totalidad de Cas A abarca 10 años luz de diámetro, o 60 billones de millas.

“Con la resolución de NIRCam, ahora podemos ver cómo la estrella moribunda se hizo añicos por completo cuando explotó, dejando filamentos similares a pequeños fragmentos de vidrio”, dijo Danny Milisavljevic de la Universidad Purdue, quien dirige el equipo de investigación. “Es realmente increíble, después de todos estos años estudiando Cas A, poder resolver ahora esos detalles, que nos brindan una visión transformadora de cómo explotó esta estrella”.

Al comparar la nueva vista de Cas A en el infrarrojo cercano de Webb con la vista en el infrarrojo medio, su cavidad interior y su capa exterior curiosamente carecen de color.

Las afueras de la capa interior principal, que aparecían de un color naranja intenso y rojo en la imagen MIRI, ahora parecen humo de una fogata. Esto marca el lugar donde la onda expansiva de la supernova choca contra el material circunestelar circundante. El polvo del material circunestelar es demasiado frío para ser detectado directamente en longitudes de onda del infrarrojo cercano, pero se ilumina en el infrarrojo medio.

Los investigadores dicen que el color blanco es la luz de la radiación sincrotrón, que se emite en todo el espectro electromagnético, incluido el infrarrojo cercano. Se genera mediante partículas cargadas que viajan a velocidades extremadamente altas y giran en espiral alrededor de líneas de campo magnético. La radiación de sincrotrón también es visible en las capas en forma de burbujas en la mitad inferior de la cavidad interior.

Tampoco se ve en la vista del infrarrojo cercano el bucle de luz verde en la cavidad central de Cas A que brillaba en el infrarrojo medio, apodado el Monstruo Verde por el equipo de investigación. Los investigadores describieron esta característica como “difícil de entender” en el momento de su primer vistazo.

Si bien el “verde” del Monstruo Verde no es visible en NIRCam, lo que queda en el infrarrojo cercano en esa región puede proporcionar información sobre esta misteriosa característica. Los agujeros circulares visibles en la imagen MIRI están débilmente delineados en emisión blanca y violeta en la imagen NIRCam; esto representa gas ionizado. Los investigadores creen que esto se debe a que los restos de la supernova empujan y esculpen el gas que dejó la estrella antes de explotar.