La misión Kepler, más allá de los planetas.

Misión Kepler encuentra estrellas explosivas, supernovas.

Esta animación muestra un tipo de explosión estelar llamada Transitorio Luminoso de Evolución Creciente. En este caso, una estrella gigante "eructa" una capa de gas y polvo alrededor un año antes de explotar. La mayor parte de la energía de la supernova se convierte en luz cuando golpea este material expulsado previamente, lo que produce una ráfaga de radiación corta pero brillante.
Créditos: NASA / JPL-Caltech

La historia.
El astrónomo Ed Shaya estaba en su oficina mirando datos del telescopio espacial Kepler de la NASA en 2012 cuando notó algo inusual: la luz de una galaxia se había iluminado rápidamente en un 10 por ciento. El golpe repentino en la luz hizo que Shaya se emocionara al instante, pero también se pusiese nervioso. El efecto podría explicarse por la explosión masiva de una estrella, ¡una supernova!  o lo que es más preocupante, un error de la computadora. "Solo recuerdo ese día, sin saber si debería creerlo o no", recuerda. En lugar de celebrar, pensó: "¿Cometí un error? ¿Estoy haciendolo todo mal?"

Las explosiones estelares forjan y distribuyen materiales que conforman el mundo en el que vivimos, y también contienen pistas sobre qué tan rápido se está expandiendo el universo. Al comprender las supernovas, los científicos pueden descubrir misterios que son la clave de lo que estamos hechos y el destino de nuestro universo. Pero para obtener una visión completa, los científicos deben observar las supernovas desde una variedad de perspectivas, especialmente en los primeros momentos de la explosión. Eso es realmente difícil; no se sabe cuándo o dónde podría ocurrir una supernova antes o después.

Un pequeño grupo de astrónomos, incluido Shaya, se dio cuenta de que Kepler podría ofrecer una nueva técnica para la caza de supernovas. Lanzado en 2009, Kepler es mejor conocido por haber descubierto miles de exoplanetas. Pero como un telescopio que mira parches de espacio durante largos períodos de tiempo, puede capturar un vasto tesoro de otros tesoros cósmicos, especialmente aquellos que cambian rápidamente o aparecen y desaparecen, como las supernovas.

"Kepler abrió una nueva forma de mirar el cielo", dijo Jessie Dotson, científica del proyecto de Kepler, con sede en el Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley, California. "Fue diseñado para hacer una cosa realmente bien, que era encontrar planetas alrededor de otras estrellas. Para hacer eso, tenía que entregar datos continuos de alta precisión, que han sido valiosos para otras áreas de la astronomía ".

Originalmente, Shaya y sus colegas estaban buscando núcleos galácticos activos en sus datos de Kepler. Un núcleo galáctico activo es un área extremadamente brillante en el centro de una galaxia donde un agujero negro voraz está rodeado por un disco de gas caliente. Habían pensado en buscar supernovas, pero como las supernovas son tan raras, no lo mencionaron en su propuesta. "Fue demasiado dudoso", dijo Shaya.

Inseguro de si la señal de supernova que encontró era real, Shaya y su colega de la Universidad de Maryland Robert Olling pasaron meses desarrollando software para calibrar mejor los datos de Kepler, teniendo en cuenta las variaciones de temperatura y la orientación del instrumento. Aún así, la señal de supernova persistió. De hecho, encontraron cinco supernovas más en su muestra de Kepler de más de 400 galaxias. Cuando Olling mostró una de las señales a Armin Rest, que ahora es astrónomo en el Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial en Baltlimore, Rest se quedó boquiabierto. "Empecé a babear", dijo. La puerta se abrió a una nueva forma de rastrear y comprender las explosiones estelares.

Hoy en día, estos astrónomos son parte del Estudio extragaláctico Kepler, una colaboración entre siete científicos de los Estados Unidos, Australia y Chile en busca de supernovas y núcleos galácticos activos para explorar la física de nuestro universo. Hasta la fecha, han encontrado más de 20 supernovas utilizando datos de la nave espacial Kepler, incluido un tipo exótico informado por Rest en un nuevo estudio en Nature Astronomy.

"Tenemos algunas de las supernovas mejor comprendidas", dijo Brad Tucker, astrónomo en el Mt. Observatorio Stromlo en la Universidad Nacional de Australia, que es parte del Sondeo Extra-Galáctica de Kepler.


Esta animación muestra la explosión de una enana blanca, un remanente extremadamente denso de una estrella que ya no puede quemar combustible nuclear en su núcleo. En esta supernova de "tipo Ia", la gravedad de la enana blanca roba material lejos de un compañero estelar cercano. Cuando la enana blanca alcanza aproximadamente 1,4 veces la masa actual del Sol, el limite de Chandrasekhar,  ya no puede sostener su propio peso y explota.
Créditos: NASA / JPL-Caltech

¿Por qué nos importan las supernovas?
Un misterio en astrofísica es cómo y por qué las estrellas explotan de diferentes maneras. Un tipo de supernova ocurre cuando una estrella densa y muerta llamada enana blanca explota. Un segundo tipo ocurre cuando una única estrella gigante se acerca al final de su vida, y su núcleo ya no puede resistir las fuerzas gravitatorias que actúan sobre él. Los detalles de estas categorías generales todavía se están resolviendo.

El primer tipo, llamado "supernova tipo Ia" (pronunciado como "uno a") es especial porque el brillo intrínseco de cada una de estas supernovas es casi el mismo. Los astrónomos han utilizado esta propiedad estándar para medir la expansión del universo y descubrieron que las supernovas más distantes eran menos brillantes de lo esperado. Esto indicó que estaban más lejos de lo que los científicos habían pensado, ya que la luz se había extendido sobre el espacio en expansión. Esto demostró que el universo se está expandiendo a un ritmo acelerado y ese descubrimiento les otorgó a esos investigadores el Premio Nobel en 2011. La teoría principal es que una fuerza misteriosa llamada "energía oscura" está empujando todo en el universo aparte de todo, más y más rápido.

Pero a medida que los astrónomos encuentran más y más ejemplos de explosiones tipo Ia, incluso con Kepler, se dan cuenta de que no todas son iguales. Mientras que algunas de estas supernovas ocurren cuando una enana blanca roba a su compañero demasiada materia, otras son el resultado de la fusión de dos enanas blancas. De hecho, las fusiones de enanas blancas pueden ser más comunes. Más investigación de supernova con Kepler ayudará a los astrónomos en una búsqueda para descubrir si los diferentes mecanismos tipo Ia resultan en que algunas supernovas sean más brillantes que otras, lo que arrojaría una llave sobre cómo se usan para medir la expansión del universo.

"Para tener una mejor idea de la restricción de la energía oscura, tenemos que entender mejor cómo se forman estas supernovas tipo Ia", dijo Rest.


Esta animación muestra la fusión de dos enanas blancas. Una enana blanca es un remanente extremadamente denso de una estrella que ya no puede quemar combustible nuclear en su núcleo. Esta es otra forma en que ocurre una supernova de "tipo Ia".
Créditos: NASA / JPL-Caltech

Otro tipo de supernova, la variedad del "colapso del núcleo", ocurre cuando una estrella masiva termina su vida en una explosión. Esto incluye las "supernovas Tipo II". Estas supernovas tienen una onda de choque característica llamada "ruptura de choque", que Kepler capturó por primera vez con luz óptica. El equipo Kepler Extra-Galactic Survey, liderado por el miembro del equipo Peter Garnavich, profesor de astrofísica en la Universidad de Notre Dame en Indiana, detectó esta ruptura en los datos de Kepler en 2.011 de una supernova llamada KSN 2011d, una explosión de una estrella aproximadamente 500 veces el tamaño de nuestro sol. Sorprendentemente, el equipo no encontró una ruptura de choque en una supernova más pequeña de tipo II llamada KSN 2011a, cuya estrella era 300 veces mayor que el Sol, pero en su lugar encontró la supernova en una capa de polvo, lo que sugiere que también hay diversidad en explosiones estelares de tipo II.

Los datos de Kepler han revelado otros misterios sobre las supernovas. El nuevo estudio liderado por Rest in Nature Astronomy describe una supernova a partir de datos capturados por la misión extendida de Kepler, llamada K2, que alcanza su brillo máximo en solo un poco más de dos días, unas 10 veces menos que otros. Es el ejemplo más extremo conocido de una "supernova luminosa transitoria de evolución rápida" (FELT). Los FELT son casi tan brillantes como la variedad tipo Ia, pero aumentan en menos de 10 días y se desvanecen en aproximadamente 30. Es posible que la estrella arrojara una densa capa de gas alrededor de un año antes de la explosión, y cuando sucedió la supernova, el material expulsado golpea el caparazón. La energía liberada en esa colisión explicaría el rápido brillo.

¿Por qué Kepler?
Los telescopios en la Tierra ofrecen mucha información sobre estrellas en explosión, pero solo en períodos cortos de tiempo, y solo cuando el Sol se pone y el cielo está despejado, por lo que es difícil documentar los efectos "antes" y "después" de estas explosiones. Kepler, por otro lado, ofrece a los astrónomos la rara oportunidad de monitorear parches de cielo de manera continua durante meses, como la cámara del tablero de un automóvil que siempre está grabando. De hecho, la misión principal de Kepler, que se desarrolló entre 2009 y 2013, entregó cuatro años de observaciones del mismo campo de visión, tomando una foto cada 30 minutos. En la misión K2 extendida, el telescopio mantiene la mirada fija por hasta aproximadamente tres meses.

Esta animación muestra una estrella gigante explotando en una supernova de "colapso del núcleo". A medida que las moléculas se fusionan dentro de la estrella, eventualmente la estrella ya no puede soportar su propio peso. La gravedad hace que la estrella se colapse sobre sí misma. Las supernovas de colapso del núcleo se llaman tipo Ib, Ic o II dependiendo de los elementos químicos presentes.
Créditos: NASA / JPL-Caltech

Con los telescopios terrestres, los astrónomos pueden distinguir el color de la supernova y cómo cambia con el tiempo, lo que les permite descubrir qué sustancias químicas están presentes en la explosión. La composición de la supernova ayuda a determinar el tipo de estrella que explotó. Kepler, por otro lado, revela cómo y por qué explota la estrella, y los detalles de cómo progresa la explosión. Usando los dos conjuntos de datos juntos, los astrónomos pueden obtener imágenes más completas del comportamiento de las supernovas que nunca antes.

Los planificadores de la misión Kepler revivieron el telescopio en 2013, después del mal funcionamiento de la segunda de sus cuatro ruedas de reacción, dispositivos que ayudan a controlar la orientación de la nave espacial. En la configuración llamada K2, necesita rotar cada tres meses más o menos, marcando la observación en modo "campañas". Los miembros del Estudio extra-galáctico Kepler argumentaron que en la misión K2, Kepler aún podía monitorear supernovas y otras formas exóticas y distantes. objetos astrofísicos, además de exoplanetas.

La misión Kepler & K2. Crédito: NASA/JPL-Caltech
Las posibilidades eran tan emocionantes que el equipo de Kepler ideó dos campañas de observación de K2 especialmente útiles para coordinar los estudios de supernovas con telescopios terrestres. Campaña 16, que comenzó el 7 de diciembre de 2017 y terminó el 25 de febrero de 2018, incluyó 9.000 galaxias. Hay alrededor de 14.000 en la Campaña 17, que recién comienza. En ambas campañas, Kepler mira hacia la Tierra para que los observadores en el suelo puedan ver el mismo pedazo de cielo que la nave espacial. Las campañas han entusiasmado a una comunidad de investigadores que pueden aprovechar esta rara coordinación entre Kepler y los telescopios en el terreno.

Un posible avistamiento reciente hizo que los astrónomos se irritaran el domingo del Super Bowl este año, incluso si no estaban en el juego. En ese "súper" día, el Sondeo Automatizada de All Sky para SuperNovae (ASASSN) reportó una supernova en la misma galaxia cercana que Kepler estaba monitoreando. Este es solo uno de los muchos eventos candidatos que los científicos están ansiosos por seguir y tal vez utilizar para comprender mejor los secretos del universo.

Algunas más supernovas pueden provenir del Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA, que se espera se lance el 16 de abril. Mientras tanto, los científicos tendrán mucho trabajo por delante una vez que reciban el conjunto de datos completo de K2 enfocado en las supernovas. campañas

"Va a ser un tesoro de información de supernova en los próximos años", dijo Tucker.

Ames maneja las misiones Kepler y K2 para la Dirección de Misión Científica de la NASA. El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, gestionó el desarrollo de la misión Kepler. Ball Aerospace & Technologies Corporation opera el sistema de vuelo con el apoyo del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial de la Universidad de Colorado en Boulder.

Una guía para supernovas, cuatro maneras en las que las estrellas explotan.
Una guia para comprender las supernovas.
Crédito: NASA/JPL-Caltech


  • 1.- Supernova tipo Ia. Una enana blanca que explota. Una supernova de tipo Ia ocurre cuando una estrella enana blanca explota. Una enana blanca es un remanente estelar extremadamente denso que no puede realizar procesos de fusión nuclear en su núcleo, nuestro Sol seguirá ese mismo camino dentro de largo tiempo, (por lo menos el Sol no estallará por si mismo).  En un escenario de supernova tipo Ia, la gravedad de la enana blanca acreta material de una estrella compañera en un sistema binario estelar. Cuando la enana blanca llega a capturar material hasta una cantidad de hasta 1,4 masas solares, límite de Chandrasekhar, la estrella no puede soportar su propio peso y estalla. Otra alternativa es que dos enana blancas se fusionen. Las supernovas de tipo Ia son especiales para los astrónomos porque siempre emiten el mismo brillo. Son muy importantes para medir las distancias en el universo, se las llama "velas estándar".
  • 2.- Supernova tipo Ib, Ic, II. Colapso de núcleo. En "una explosión de colapso de núcleo", una estrella al llegar al final de su vida se convierte en una estrella gigante, para que esto se produzca la masa de esta estrella debe de ser de la menos ocho veces más que la masa de nuestro Sol. Mientras las moléculas se van fusionando dentro del propio núcleo de la estrella llega un punto en el que la estrella no puede soportar su propio peso durante mucho más tiempo provocando que la gravedad colapse la estrella dentro de si mismo. Cuando esto sucede una onda de choque surge desde el interior de la estrella expulsando material hacia el exterior de ésta, por este motivo los elementos de la estrella forjados en su interior son expulsados al medio interestelar. Las supernovas de colapso de núcleo son de tipo Ib, Ic o II dependiendo de los elementos químicos que la compongan.
  • 3.- FELT, Fast-Evolving Luminous Transient. Una supernova que no pertenece a ninguna de las dos categorías anteriores es denominada como Fast-Evolving Luminous Transient, Transito Luminoso de Evolución Rápida, en este caso una estrella gigante expulsa una capa de material y polvo un año antes de la explosión. Cuando la estrella estalla la mayor parte de la energía de la explosión se convierte en luz cuando alcanza el material previamente expulsado resultando en pequeñas ráfagas de radiación. Los científicos pueden llegar a observar este brillo durante unos pocos días que es solo el 10% de una supernova normal. 


Para obtener más información sobre la misión Kepler, visite:

Contactos.
Calla Cofield
Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California
818-393-1821

Alison Hawkes
Centro de Investigación Ames, Silicon Valley de California
650-604-0281

• Escrito por Elizabeth Landau
• Programa de exploración de exoplanetas de la NASA
• Última actualización: 26 de marzo de 2018
• Editor: Tony Greicius