Observan la nueva supernova SN 2014J en el transcurso del proyecto de investigación ESTALLIDOS

ESTALLIDOS es un proyecto en el que participan el CIEMAT, el Instituto de Astrofísica de Andalucía (coordinador), el Instituto de Astrofísica de Canarias y la Universidad Autónoma de Madrid. Este proyecto estudia en detalle galaxias con brotes (estallidos) de formación estelar reciente, lo que implica estrellas masivas capaces de ionizar el medio interestelar. Este fenómeno de fotoionización produce líneas de emisión en los espectros y de su análisis se puede deducir la abundancia en metales de dichas galaxias.

El investigador Manuel Emilio Moreno desarrolla su tesis en este proyecto dentro del CIEMAT y como parte de ella realiza observaciones en el telescopio WHT del observatorio del Roque de los Muchachos, en La Palma. El objetivo de las observaciones es estimar las abundancias de las galaxias anfitrionas de supernovas de tipo Ia (SN-Ia) que estuviesen lo suficientemente cerca como para tener las distancias correctamente medidas y así poder determinar si la magnitud de dichas SNs-Ia está relacionada con la abundancia en metales de la galaxia en la que se alojan, lo que puede ser importante a la hora de determinar los errores en el modelo cosmológico.

Por casualidad la semana en que se iban a tomar las observaciones se descubrió una nueva supernova, la SN2014J, en la galaxia starburst M 82, precisamente una de las más interesantes del proyecto ESTALLIDOS porque está sufriendo un estallido de formación estelar muy llamativo, tan potente que hace que la galaxia pierda parte de su masa. SN2014J es la supernova de tipo Ia más cercana que se ha observado desde la de Kepler. Así que, obviamente, ha sido incorporada a la muestra de galaxias de la investigación y se han hecho las observaciones, incluyendo un espectro para estimar las abundancias de la galaxia M82, junto con otras 18 galaxias más observadas del 23 al 26 de enero.

Como parte de las observaciones, se obtuvo, además del espectro citado, la imagen de la galaxia y de los espectros de la propia supernova. Todos estos datos tienen que ser ahora analizados más detenidamente desde el punto de vista científico. Pero ya se pueden adelantar algunos detalles llamativos, como es el hecho de que en una galaxia donde hay formación estelar se esperan supernovas procedentes de estrellas masivas y sin embargo lo que se ha descubierto es una SNIa. Las SNs-Ia proceden de estrellas menos masivas, y por tanto más viejas, lo que indica que la galaxia tiene una población estelar vieja por debajo de la población joven recién formada. El espectro también muestra líneas de carbono que normalmente no se detectan. A partir del análisis previsto se esperan resultados que ayuden a los investigadores a avanzar en el conocimiento de las SNs-Ia y de sus progenitores, y de si su luminosidad depende o no de la abundancia en metales de ese sistema progenitor.

El descubrimiento de la supernova SN2014J

El martes 21 de enero el astrofísico inglés Steve Fossey impartía una clase práctica de observación astronómica a un grupo de estudiantes (Ben Cooke, Tom Wright, Matthew Wilde y Guy Pollack) del University College de Londres (UCL). Aunque el cielo de la capital inglesa se encontraba bastante encapotado, pudieron apuntar el telescopio automático de 35 cm del Observatorio de la Universidad de Londres a la famosa galaxia M 82.

Localizada a 12 millones de años luz de nosotros, sobre la constelación boreal de la Osa Mayor, la galaxia M 82 alberga un intenso brote de formación estelar y, como consecuencia de esta frenética actividad, posee unos chorros de gas caliente que se escapan de la galaxia. Por lo tanto, no es de extrañar que los estudiantes de Fossey eligieran este objeto para su clase práctica de astronomía. Mientras centraba el campo, Fossey observó que la galaxia tenía una estrella brillante que nunca antes se había observado. Dicha estrella aparecía también con otro de los telescopios del observatorio. Como las nubes estaban cerrando el cielo, rápidamente tomaron unas pocas imágenes en varios filtros. El análisis no mostraba duda: acababan de descubrir una supernova en la galaxia M 82.

Una supernova es una estrella que, por una causa u otra, ha explotado liberando al medio interestelar de su galaxia el material que tenía en su interior. Al explotar la estrella su brillo aumenta enormemente, hasta el punto de poderse observar incluso en galaxias muy lejanas. Los astrofísicos clasifican generalmente las supernovas en dos tipos: las que provienen de la muerte de una estrella masiva (más de unas 10 veces la masa del Sol) que, al final de su vida explotan al colapsar su núcleo (supernova de tipo II), o la explosión de una estrella enana blanca, que al acretar materia de una estrella compañera, se desestabiliza provocándose una explosión termonuclear (supernova de tipo Ia). Este segundo tipo de supernovas son más luminosas, observándose a distancias cosmológicas. En efecto, fueron las observaciones de supernovas de tipo Ia en galaxias muy lejanas las que permitieron descubrir la aceleración del Universo y la existencia de la misteriosa “energía oscura”, hallazgo que supuso el premio Nobel de Física de 2011.

En poco más de un día, astrónomos aficionados y profesionales apuntaron sus telescopios a la galaxia M 82 y confirmaron el descubrimiento realizado por Fossey y sus alumnos. Incluso se encontró que se había fotografiado una semana antes, cuando era aún débil, por varios astrónomos, que no se habían percatado de su existencia. Un grupo de astrofísicos liderados por Yi Cao (Caltech) consiguió el primer espectro de la supernova usando el telescopio ARC de 3,5 m del Observatorio Apache Point (Nuevo México, EE.UU.). El análisis de este espectro reveló que la estrella progenitora era una enana blanca, por lo tanto la supernova SN 2014J (así designada oficialmente) es del tipo Ia. Los restos de la estrella muerta se expanden a alta velocidad, alcanzando los 20 000 km/s. Además, el brillo de la supernova no ha alcanzado su máximo: cuando Fossey y sus estudiantes la descubrieron estaba aún a dos semanas de ello. Aun así, ahora mismo brilla tanto que es fácilmente localizable con un telescopio de aficionado. Puede que incluso se pueda ver con prismáticos cuando alcance su máximo brillo.

Así, no es de extrañar que la supernova SN 2014J y la galaxia M 82 se hayan convertido en la noticia astronómica de los últimos días. Desde el Telescopio William Herschel (WHT), perteneciente al Isaac Newton Group (ING) del Observatorio del Roque de los Muchachos (isla de La Palma, España) los astrofísicos Manuel Moreno-Raya (CIEMAT, España) y Lluís Galbany (DAS/UC, Chile) han podido observar con detalle la supernova y la galaxia entre el jueves 23 y el domingo 26 de enero usando tanto imágenes como espectros. Los datos fueron analizados conjuntamente con el astrofísico Ángel López-Sánchez (AAO/MQ, Australia), quien se dedicó a “combinar” las imágenes y los espectros. La imagen adjunta (Figura 1) señala la supernova dentro de la galaxia M 82, de la que se han sacado todos sus detalles: las bandas de polvo que atraviesan el disco (negro-amarillo), los intensos brotes de formación estelar (en azul) y sobre todo laestructura filamentosa del superviento galáctico (en rojo) de gas caliente e ionizado que se escapa de forma perpendicular al disco de la galaxia. La SN 2014J destaca claramente sobre la propia galaxia.

Además, se ha analizado el espectro de baja resolución obtenido de la supernova SN 2014J. Este espectro abarca prácticamente todo el espectro visible (entre 3500 y 9500 Angstroms) e identifica sin duda a la supernova como de tipo Ia. Destacan sobre todo las bandas de absorción de hierro (Fe II y Fe III), magnesio (Mg II) y silicio (Si II) entre 4000 y 5000 A. Estos rasgos son fusiones de muchas líneas de estos elementos metálicos, que se están produciendo por la violenta explosión de supernova. De hecho, se esperan que vayan cambiando al pasar los días, dado que la concentración y la abundancia química de cada especie va variando al convertirse unos elementos en otros y poderse observar más material proveniente del centro de la estrella muerta. Aun así, es una sorpresa encontrarlos ya casi 10 días antes del máximo de brillo. El espectro también muestra absorciones de azufre (S II) a 5240 y 5450 A, una fuerte absorción de silicio (Si II) a 6150, y absorciones de calcio (Ca II), sodio (Na I) y oxígeno (O I). Aparecen también algunas bandas atribuidas a absorciones de nuestra atmósfera (marcadas como «Tel», de «Telúricas»). Pero la línea que más ha llamado la atención a los investigadores es la pequeña absorción de carbono (C II) a 6580 A. Esta línea está indicando que la enana blanca progenitora de la supernova estaba compuesta por carbono y oxígeno (como la mayoría de las enanas blancas) pero no es habitual observarla en los espectros de supernovas de tipo Ia. Esto indicaría que la superficie de la enana blanca no se ha quemado completamente durante la explosión. Las líneas se observan “desplazadas al azul”, como consecuencia de la enorme velocidad a la que el material se expande. Las medidas de laslíneas más destacadas del espectro de ACAM han confirmado que la capa que lleva la emisión de C II y Si II se mueve a unos 14300 km/s.

La SN2014J es la supernova de tipo Ia más cercana a nosotros desde la supernova que observó el astrónomo alemán Johannes Kepler en 1604. Ésta sí sucedió en nuestra Galaxia, a una distancia de 20 mil años luz, y se pudo ver incluso a simple vista. También cerca estuvo la SN 1972e, que explotó en 1972 en la galaxia NGC 5253, a 13 millones de años luz de nosotros. NGC 5253 es una galaxia en cierta forma similar a M 82, pues, aunque enana, alberga también un intenso brote de formación estelar. Precisamente, la supernova SN 1972e quedó como prototipo para el desarrollo teórico y observacional de las supernovas de tipo Ia. ¿Podría desbancar la nueva supernova SN 2014J a la anterior? Dado el gran salto tecnológico y científico en los últimos 40 años, ¿qué sorpresas deparará el estudio detallado de una supernova de tipo Ia como esta? ¿Se puede mejorar el conocimiento actual de las supernovas de tipo Ia como indicadores de distancia y descubrir la naturaleza de la misteriosa energía oscura que acelera la expansión del Universo? La investigación acaba de empezar.

FIGURA 1:  

Imagen de la galaxia M 82 (localizada a 12 millones de años luz sobre la constelación boreal de la Osa Mayor) con la supernova SN 2014J. La supernova, de tipo Ia, aparece señalada con dos líneas. Los datos para hacer esta imagen se consiguieron con la cámara ACAM del Telescopio William Herschel (ING, Observatorio del Roque de los Muchachos, isla de La Palma, España), que tiene un espejo primario de 4,2 metros de tamaño. Se usaron los filtros u (coloreado en azul oscuro, dos tomas de 300 segundos), g (en cían, 3 tomas de 100 segundos), i (en verde, tres tomas de 100 segundos) y r (en rojo, 3 tomas de 100 segundos). Los datos se consiguieron el 24 de enero hacia las 04:40 UT, excepto los datos en filtros r y u (25 de enero hacia las 06:00 UT). Además, se ha incluido una toma extra en el filtro Hα, también codificado en rojo, conseguida combinando 4 imágenes de 300 segundos. Los datos en Hα se obtuvieron el 26 de enero a las 06:30, terminando ya durante el crepúsculo.

Créditos. Observadores: Manuel E. Moreno-Raya (CIEMAT, Spain) y Lluís Galbany (DAS / UC, Chile); Procesado dedatos y composición en color: Ángel R. López-Sánchez (AAO / MQ, Australia); Astrónomo de soporte: Chris Benn (ING, Reino Unido); Operador del Telescopio: José Norberto González (ING, Reino Unido). Equipo de investigación: Manuel E. Moreno-Raya (CIEMAT, España), Mercedes Mollá (CIEMAT, España), Ángel R. López-Sánchez (AAO /MQ, Australia), Lluís Galbany (DAS / UC, Chile), Aurelio Carnero (ON, Brasil), Inma Domínguez (UGR, España) y Pepe Vílchez (CSIC / IAA, España).

FIGURA 2:

Espectro óptico de la supernova de tipo Ia SN 2014J en la galaxia M 82 obtenido con el espectrógrafo ACAM del Telescopio William Herschel (ING, Observatorio del Roque de los  Muchachos, isla de La Palma, España). Se representa la intensidad o flujo relativo («Arbitrary Flux», en el eje vertical) frente a la longitud de onda («Wavelength», el «color»), señalándose las líneas de absorción principales detectadas. Además de las bandas de hierro, magnesio y silicio destacan absorciones de azufre, sodio, calcio y carbono. El espectro combina dos exposiciones de 200 segundos usando el prisma V400 de ACAM. Estos datos se obtuvieron el 25 de enero de 2014 a las 7:10 TU. Esto corresponde aproximadamente a la época -11 días, puesto que se  espera la supernova alcance su máximo en ese tiempo.

Créditos. Observadores: Manuel E. Moreno-Raya (CIEMAT, Spain) y Lluís Galbany (DAS / UC, Chile); Procesado de datos y composición en color: Ángel R. López-Sánchez (AAO / MQ, Australia); Astrónomo de soporte: Chris Benn (ING, Reino Unido); Operador del Telescopio: José Norberto González (ING, Reino Unido). Equipo de investigación: Manuel E. Moreno-Raya (CIEMAT,España), Mercedes Mollá (CIEMAT, España), Ángel R. López-Sánchez (AAO / MQ, Australia), Lluís Galbany (DAS / UC, Chile), Aurelio Carnero (ON, Brasil), Inma Domínguez (UGR, España) y Pepe Vílchez (CSIC / IAA, España).