El escenario es perfecto para una espeluznante explosión. Sin embargo, nunca sucede.

Una vieja y pesada estrella se encuentra a punto de experimentar una muerte espectacular. A medida que su reserva de energía nuclear disminuye, la estrella comienza a colapsar bajo su propio y enorme peso. La aplastante presión en su interior se dispara, provocando de este modo nuevas reacciones nucleares (que constituyen el escenario perfecto para una espeluznante explosión). Pero luego… no ocurre nada.

Al menos esa es la información que los astrofísicos han estado recibiendo de sus supercomputadoras durante décadas. Muchos de los mejores modelos de las explosiones de supernovas realizados por computadora no han logrado producir una explosión. En cambio, y de acuerdo con estas simulaciones, la gravedad sale victoriosa de la pelea y la estrella simplemente colapsa.

Queda claro entonces que a los físicos se les está escapando algo.

Modelo, creado por computadora, de una supernova que rota velozmente y cuyo centro colapsará. Las observaciones que ha realizado el telescopio NuSTAR de remanentes de supernova reales proporcionarán datos de suma importancia para los modelos y ayudarán a explicar el modo en que las supernovas masivas logran explotar. Crédito: Fiona Harrison/Caltech.

“Verdaderamente, todavía no entendemos cómo es que funcionan las supernovas que son producto de estrellas masivas”, dice Fiona Harrison, una astrofísica del Instituto de Tecnología de California. Entendemos mucho mejor la muerte de estrellas relativamente pequeñas pero respecto de las estrellas más grandes (aquellas que tienen casi nueve veces la masa del Sol), la física simplemente no ofrece una explicación.

Algo debe de estar ayudando a esa fuerza de radiación a empujar hacia afuera, y a otras presiones, para ganar la pelea contra la gravedad, que ejerce su fuerza hacia el interior de la estrella. Para descubrir ese “algo”, los científicos deben examinar el interior de una supernova verdadera durante su proceso de explosión, ¡lo cual no es particularmente fácil de hacer!

Pero eso es exactamente lo que Harrison se propone, utilizando un nuevo telescopio espacial llamado Conjunto de Telescopios Espectroscópicos Nucleares o NuSTAR, por su sigla en idioma inglés, que la investigadora se encuentra desarrollando junto con sus colegas.

Una vez que despegue a bordo del cohete Pegasus, en 2011, el NuSTAR proporcionará a los científicos una vista sin precedentes de los rayos-X de alta energía que provienen de remanentes de supernova, agujeros negros, blazars y otros fenómenos cósmicos extremos. NuSTAR será el primer telescopio espacial capaz de enfocar estos rayos-X de alta energía, produciendo imágenes que son casi cien veces más claras que las que pudieron obtenerse con los telescopios anteriores.

Usando el NuSTAR, los científicos buscarán pistas que les ayuden a determinar las condiciones que reinan en el interior de una estrella en explosión, grabadas en el patrón de elementos dispersos en la nebulosa que queda luego de que la estrella explota.

Concepto artístico del NuSTAR. La óptica para enfocar rayos-X requiere longitudes focales muy largas; de allí el mástil desplegable de 10-metros de largo, el cual se extiende después del lanzamiento.

“No se tiene muy a menudo la posibilidad de ver este tipo de explosiones; las que se producen lo suficientemente cerca como para estudiar en detalle”, dice Harrison. “Lo que sí podemos hacer es estudiar los remanentes. Tanto la composición como la distribución del material en los remanentes ofrecen mucha información sobre la explosión”.

Un elemento en particular es de singular importancia: el titanio-44. La creación de este isótopo de titanio, por medio del proceso de fusión nuclear, requiere una combinación específica de energía, presión y materias primas. En el interior de la estrella que colapsa, esa combinación se desarrolla a una profundidad muy especial. Todo lo que se encuentre por debajo de ese nivel de profundidad sucumbirá a la fuerza de gravedad y colapsará sobre sí mismo formando de ese modo un agujero negro. Todo lo que esté sobre ese nivel de profundidad saldrá disparado hacia afuera durante la explosión. El titanio-44 tiene su origen justo en la cúspide.

Entonces, el patrón relacionado con la manera en que el titanio-44 yace dispersado a través de una nebulosa puede revelar muchísimo acerca de lo que ocurrió en el umbral crucial de la explosión. Esa información podría servir a los científicos para descubrir los errores en sus simulaciones realizadas por computadora.

Algunos científicos están convencidos de que los modelos existentes realizados por computadora son demasiado simétricos. Hasta

El telescopio NuSTAR construirá un mapa de la distribución del titanio-44 en remanentes de supernova como este, Cassiopeia A, buscando evidencia de asimetrías. Crédito de la imagen: Observatorio Chandra de Rayos-X

hace poco tiempo, incluso con poderosas supercomputadoras, los investigadores sólo han podido simular una porción uni-dimensional de la estrella. Ellos asumen que el resto de la estrella se comporta de manera similar, de modo que diseñan la simulación de la implosión en todas las direcciones radiales.

Pero, ¿qué sucedería si lo que asumen es incorrecto?

“Las asimetrías podrían ser la clave”, dice Harrison. En un colapso asimétrico, las fuerzas que apuntan desde el centro de la estrella hacia afuera podrían ser capaces de vencer en algunos lugares, aun cuando la aplastante fuerza gravitatoria salga victoriosa en otros. De hecho, algunas simulaciones bi-dimensionales llevadas a cabo recientemente sugieren que las asimetrías podrían ayudar a esclarecer el misterio de “la supernova que no explota”.

Si el NuSTAR observara que el titanio-44 se encuentra distribuido de manera desigual, eso podría representar evidencia de que las explosiones mismas también fueron asimétricas, explica Harrison.

Para poder detectar el titanio-44, el NuSTAR tiene que ser capaz de enfocar rayos-X de muy alta energía. El titanium-44 es radioactivo y, cuando se descompone, libera rayos gamma con la energía de 68 kilo-electronvoltios (keV). Los telescopios de rayos-X existentes, tal como el Observatorio Chandra de Rayos-X, de la NASA, sólo pueden concentrar rayos-X con energía de aproximadamente hasta 15 keV.

Las lentes normales no son capaces de concentrar los rayos-X. El vidrio provoca un pequeño desviamiento de los rayos-X, de modo que para que una lente hecha de vidrio sea capaz de desviar los rayos-X lo suficiente como para poder concentrarlos, tendría que ser tan gruesa que terminaría absorbiendo estos rayos en lugar de desviarlos.

Los telescopios que detectan rayos-X utilizan un tipo de lente completamente diferente. Se llama óptica Wolter-I y está compuesta por muchas capas en forma cilíndrica, cada una de ellas un poco más pequeña que la anterior y colocada en el interior de la anterior capa. El resultado es una especie de cebolla cilíndrica (si tal cosa existiera) con pequeños espacios entre las capas.

La "trayectoria de luz" de los rayos-X de la cámara EPIC del satélite XMM-Newton, un diseño Wolter-I muy parecido al utilizado por el NuSTAR. Crédito: ESA/ESTEC.

Los rayos-X que ingresan pasan entre estas capas, las cuales los guían hacia la superficie focal. Estrictamente hablando, no se trata de una lente, porque los rayos-X son reflejados desde las superficies en vez de pasar a través de estas del mismo modo en que la luz pasa a través de una lente de vidrio. No obstante, el resultado final es el mismo.

La óptica Wolter-I del telescopio NuSTAR contiene un revestimiento especial de precisión atómica, el cual hace que sus capas puedan reflejar rayos-X con energías tan altas como 79 keV. Harrison y sus colegas han dedicado años al perfeccionamiento de las delicadas técnicas de construcción de estas capas de alta precisión. Junto con un nuevo sensor que es capaz de soportar estas altas energías, tales capas, fabricadas cuidadosamente, son lo que permite al NuSTAR obtener imágenes de estos rayos-X de alta energía, que están relativamente inexplorados.

Y los descubrimientos no cesarán con las supernovas. Muchos de los fenómenos más extremos, los cuales incluyen a los agujeros negros super masivos y a los blazars, emiten rayos-X de alta energía. El NuSTAR nos dará una nueva ventana a un universo en su carácter más extremo.

Artículo publicado en Ciencia@MASA, su autor es Patrick Barry y la traducción el español es de Iris Mónica Vargas.