Cuando las estrellas se apagan: a la busca de las supernovas fallidas

En el cielo nocturno las estrellas brillan como faros en las sombras. Noche tras noche, año tras año, las estrellas vuelven, inamovibles, y señalan el norte, el oeste, el invierno, la crecida de los ríos. Otras luces se mueven y nos recuerdan que existe el tiempo, pero las estrellas permanecen y nos recuerdan que algunas cosas son imperecederas, seguras, eternas.

Los astrónomos de la antigüedad ya sabían que esta imagen de los cielos era hermosa, pero falsa. Sospechaban que las estrellas se movían, aunque muy lentamente, y sabían que muy de vez en cuando, quizá una vez cada diez o veinte generaciones, una estrella nueva se encendía en el cielo. Esas estrellas recién llegadas nunca duraban: brillaban algunas semanas y luego volvían a la oscuridad para nunca retornar. Pero entre todos estos detalles finos de la esfera celeste, lo que ningún astrónomo de la antigüedad observó jamás fue que una estrella de las normales, de las que siempre habían estado ahí, se apagase.

El tiempo ha pasado, y hoy tenemos claro que las estrellas no son inamovibles. Sabemos que se mueven, y sabemos que nacen y mueren. Sabemos que sus vidas son muy largas y sus distancias, astronómicas; por eso es muy difícil ver cualquiera de estos cambios. Seguimos sin haber visto que una estrella se apague, y tenemos una explicación para ello: en el proceso de morir, las estrellas pierden el control de su cuerpo y buena parte de su gas se escapa al espacio, regalándonos un espectáculo bastante colorido; las más grandes culminan este proceso con una gran explosión, a la que llamamos supernova. Podríamos decir que las estrellas no se apagan cuando se mueren, sino que se encienden, y después van declinando definitivamente. Probablemente eso es lo que los astrónomos de la antigüedad estaban viendo cuando anotaban que una estrella nueva se había encendido en el cielo.

Durante décadas este relato se ha ajustado bien a lo que observamos en el universo. Sólo ahora, con las técnicas que nos ofrece el siglo XXI, estamos encontrando indicios de que quizá necesite revisión: es posible que algunas estrellas sí se apaguen, después de todo. Puede incluso que hayamos encontrado ya los primeros ejemplos.

Las estrellas perdidas

Las primeras pistas nos las han dado las supernovas, o mejor dicho: las estrellas que dan lugar a una supernova, a las que llamamos progenitoras. Estas estrellas son muy difíciles de identificar, porque cuando la supernova ha explotado ya es demasiado tarde para buscarlas: necesitamos mapas obtenidos antes de la explosión, en los que podamos decir “es este puntito el que se ha convertido en una supernova”. Lamentablemente, la mayor parte de las supernovas ocurren en galaxias muy distantes de las que no tenemos mapas detallados, así que muchas progenitoras se quedan sin identificar.

A pesar de estas dificultades, en los últimos veinte años hemos conseguido identificar un número cada vez mayor de progenitoras en galaxias cercanas, de las que tenemos más y mejores imágenes. A medida que rellenábamos esa lista nos íbamos dando cuenta de una incómoda anomalía: no encontrábamos progenitoras de más de 15 masas solares. Y, sin embargo, sabemos que hay estrellas de 15 masas solares, y de mucho más también. ¿Qué les estará pasando a esas estrellas cuando mueren? Bigardos de ese tamaño son demasiado inestables para terminar su vida de forma pacífica, pero aparentemente no estallan, o no estamos viendo esas explosiones.

Un segundo indicio aparece cuando comparamos el número de estrellas que nacen en las galaxias con el número de estrellas que estallan. De todas las estrellas recién nacidas sólo unas pocas, las más grandes, van a terminar en supernovas, pero si sabemos cuántas estrellas se forman podemos estimar, de media, cuántas van a terminar en una explosión. Al comparar ese número con las que realmente vemos explotar nos encontramos de nuevo con una discrepancia: hay menos supernovas de las que esperaríamos.

Este segundo indicio es más disputado que el primero: es posible que no veamos algunas supernovas porque ocurran en el interior de nubes densas de polvo, especialmente en las galaxias más jóvenes. También es posible que no estemos estimando bien la tasa de formación de estrellas, o que se formen menos estrellas gigantes de las que esperamos. En cualquier caso, estos dos indicios juntos plantean una cuestión razonable: ¿es posible que las estrellas más masivas simplemente se apaguen y nos estemos perdiendo su final?

Supernovas fallidas

Para poder decirlo debemos intentar entender por qué algunas estrellas explotan, y si eso va a ocurrir también en las estrellas más grandes. Los detalles de este proceso todavía no los conocemos bien, pero la idea general es la siguiente: una estrella es una competición entre la gravedad, que trata de comprimir el gas al máximo, y la radiación que sale del núcleo, que empuja el material hacia afuera. Mientras la estrella está encendida estas dos fuerzas están más o menos compensadas, pero cuando la estrella llega al final de su vida el núcleo se apaga y la gravedad se convierte en el único jugador sobre la pista. En pocos segundos la gravedad aplasta al núcleo de forma brutal, hasta un tamaño de sólo decenas de kilómetros. Y entonces ocurre algo a lo que llamamos “el rebote”: la parte exterior del núcleo sale disparado hacia afuera, como si hubiera rebotado contra algo.

No estamos seguros de qué es lo que produce ese rebote. Creemos en el núcleo, debido a la presión, los protones se combinan con los electrones y forman una esfera de neutrones, a la vez que emiten grandes cantidades de neutrinos. Creemos que esa esfera de neutrones puede ser tan rígida que frene la caída de las capas externas del núcleo y las haga rebotar hacia arriba. Los neutrinos, probablemente, contribuyan empujando hacia afuera toda la materia que se encuentran. Si este rebote tiene energía suficiente arrasará todo el cuerpo de la estrella y ésta explotará, dando lugar a una supernova.

Pero ¿qué sucede si el rebote no tiene energía suficiente? Los modelos sugieren que si el núcleo es muy pesado su velocidad de caída será muy grande, y la esfera de neutrones no podrá frenar la caída. En ese caso el núcleo seguirá comprimiéndose, cayendo sobre sí mismo, hasta dar lugar a un agujero negro que devorará rápidamente el resto de la estrella. También podría ocurrir que se produjera un rebote, pero con una velocidad demasiado baja: suficiente para deformar la estrella, probablemente para hincharla apreciablemente, pero no suficiente para hacerla explotar. En ese caso nos quedaría un núcleo, probablemente en forma de agujero negro, rodeado de una atmósfera densa de la que se iría alimentando poco a poco.

A estas dos posibilidades las conocemos como supernovas fallidas. En ambos casos el objeto resultante es mucho menos brillante que una supernova, y podría ser incluso oscuro. El hecho de que esto les ocurra a los núcleos más grandes es muy sugerente, ahora que empezamos a sospechar que precisamente las estrellas más grandes no explotan como supernovas.

Una luz que se apaga

Para comprobar si estas ideas son acertadas, en los últimos cinco años se han realizado varias búsquedas de estrellas masivas “que desaparecen”. Esencialmente, el plan es exactamente lo que parece: tomar imágenes de archivo de otras galaxias, buscar en ellas estrellas especialmente grandes y volver a observar esas galaxias un tiempo después, para ver si las estrellas siguen ahí. Este método no es muy refinado: se basa en observar cuantas más galaxias mejor, porque cuantas más estrellas observemos más probable es que pillemos a una justo antes de morir. Sorprendentemente, hemos encontrado ya tres candidatos.

Los tres tienen historias comunes, pero ligeramente diferentes. En la galaxia espiral NGC 3021, a unos 100 millones de años luz de nosotros, imágenes de 2005 y 2006 muestran una estrella amarilla, con una masa entre 25 y 30 veces la masa del Sol. La estrella está rodeada de otros objetos brillantes, posiblemente un cúmulo o una nebulosa de los que forma parte. En imágenes de 2010 y 2013 la nebulosidad de fondo sigue ahí, pero la estrella ha desaparecido, y no se ha observado ninguna supernova en esa galaxia.

El candidato más firme quizá sea N6946-BH1, y es también el que tiene la historia más compleja. Era una supergigante roja de unas 25 masas solares localizada en la galaxia espiral NGC 6946, a 25 millones de años luz de nosotros, y a lo largo de la década de los 2000 su brillo aparece constante en las imágenes de archivo. En 2009 la estrella sufrió una erupción que la hizo diez veces más brillante de lo que llevaba siendo durante la década anterior. La erupción duró varios meses y después de eso el brillo de la estrella se derrumbó. Lo que quiera que haya donde antes estaba la estrella sigue brillando en el infrarrojo, pero ya no es visible. La interpretación que hacemos es que la estrella trató de estallar en supernova pero sólo logró una erupción parcial, que ha dejado un agujero negro que se va alimentando lentamente de los despojos de la estrella.

El tercer candidato se acaba de publicar hace unas semanas, y es el más difícil de interpretar de los tres. Se encuentra en la galaxia enana PHL 293B, a 75 millones de años luz de nosotros, y su estrella progenitora nunca fue observada. Lo que tenemos es el espectro de la galaxia entre 2001 y 2011, que muestra una emisión muy potente de hidrógeno, con líneas muy anchas, y también de helio ionizado y hierro ionizado. Este tipo de emisión es característico de las estrellas variables luminosas azules, un tipo de estrella supergigante muy inestable y que ya está al final de su vida. La masa de la estrella de PHL 293B es desconocida, pero se estima entre 80 y 120 masas solares, y los datos sugieren que se pasó toda la década de los 2000 en una prolongada erupción, expulsando material al espacio. La galaxia volvió a ser observada en 2016 y estas emisiones tan características habían desaparecido. Nuevas observaciones en 2019 confirman que la emisión no está. ¿Se ha apagado esta estrella que nunca hemos llegado a ver directamente? Tal vez.

Posibles impostores

Pero a la vez que decimos esto también debemos ser cautos. Como veis, no tenemos el lujo de tener imágenes clarísimas de las estrellas cada cinco días, que nos permitan identificarlas sin lugar a dudas y reconstruir su evolución al detalle. Como suele ocurrir en ciencia, lo que tenemos es un rastro de migas de pan en un sendero, y parece que las migas nos conducen a tres casos diferentes de supernova fallida, pero debemos ser conscientes de que podrían ser impostores: fenómenos diferentes que, a la luz de los datos limitados que tenemos, parezcan supernovas fallidas.

El primer candidato a impostor, y el principal, es que la estrella sea realmente una estrella variable. Algunas estrellas no son completamente estables en algunas fases de su vida y crecen, menguan, sufren erupciones… incluso pueden cambiar la composición de su atmósfera, y todos estos procesos llevan a que su brillo varíe, a veces drásticamente. Para el caso que nos ocupa, las principales sospechosas son las variables de tipo R Coronae Borealis, que sufren episodios de oscurecimiento repentino en los que su brillo baja en un factor 1000 durante meses o años. Si hemos tenido la mala suerte de dar con una de estas estrellas podríamos pensar que hemos visto una estrella apagarse cuando, en realidad, sólo está oscurecida temporalmente. La buena noticia es que esta duda se resuelve monitorizando en el futuro a nuestras tres candidatas, para ver si alguna de ellas vuelve a recuperar su brillo.

Otro posible impostor es que estemos entendiendo los hechos al revés de como han ocurrido: creemos que hemos visto una estrella apagarse cuando, en realidad, era al principio cuando estaba brillando más de la cuenta. Es decir, podemos haber tenido la mala suerte de encontrar en primer lugar una estrella que estaba sufriendo una erupción y que luego, al volver a su estado normal, nos parezca que se ha apagado porque no podemos detectarla. Esto normalmente lo podemos descartar si tenemos datos suficientemente buenos de la estrella progenitora: podemos encontrar indicios de que está en un episodio de erupción y entender cuáles son sus propiedades, para saber si es normal o no que se apague tanto. Un buen ejemplo de esto lo tenemos en la estrella azul de PHL 293B: en ese caso sabemos que la estrella ya no puede seguir ahí porque ha desaparecido por completo la emisión de hidrógeno, helio y hierro. Si esa estrella no se ha apagado es que hay algo que estamos entendiendo mal.

Finalmente, siempre puede tocarnos la china de que la estrella haya explotado como supernova y… no la hayamos visto. Esto es bastante complicado en el siglo XXI porque hay muchos programas de búsqueda de supernovas, tanto profesionales como amateurs. Aun así, podría pasar que tuviéramos mala suerte y nos tocara una supernova problemática, difícil de identificar o localizada en un entorno con mucho polvo que enmascara su señal, pero esto es improbable, sobre todo para galaxias cercanas. Para descartar esta posibilidad lo mejor es tener observaciones de la galaxia al menos una vez cada varios meses, pero a menudo eso no es demasiado realista, porque los recursos son limitados.

En definitiva, es posible que estemos asomándonos, por primera vez, a un nuevo fenómeno estelar: la muerte repentina de una estrella sin ninguna señal visible. Los datos que tenemos hasta ahora son sólo indicios muy sugerentes, pero a medida que se van acumulando los indicios esta posibilidad parece más creíble. En los últimos cinco años hemos encontrado los primeros candidatos, pero no hay que precipitarse: sólo más tiempo de observación nos dirá si, de verdad, hemos visto a una estrella apagarse.

QUE NO TE LA CUELEN

• Cuando una estrella muere no suele apagarse directamente, sino que pierde gran cantidad de materia al espacio y, a menudo, es más visible durante un tiempo.
• La mayoría de las estrellas no explotan, sino que acaban sus vidas de forma relativamente pacífica: gran parte de su cuerpo se escapa al espacio y forma una nebulosa planetaria alrededor del núcleo inerte de la estrella. Estas nebulosas son visibles durante varios miles de años antes de enfriarse y apagarse.
• Aunque las supernovas son muy brillantes, para poder verlas a simple vista tienen que ocurrir en galaxias cercanas. La última fue en el año 1987, estalló en uno de los satélites de la Vía Láctea y fue visible en los cielos del hemisferio sur durante varios meses.
• Aunque se confirme que las estrellas de mayor tamaño no explotan sino que se apagan, la probabilidad de que podamos ver este fenómeno a simple vista es es pequeña, porque sólo unas pocas de las 5000 estrellas visibles son suficientemente grandes. Una de las mejores candidatas es Eta de Carina, una estrella del cielo del sur que, en España, sólo puede verse desde Canarias.

REFERENCIAS

• Thomas Reynolds et al. Gone without a bang: an archival HST survey for disappearing massive stars. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 453, is. 3, pp. 2885–2900 (2015)
• Jill Gerke et al. The search for failed supernovae with the Large Binocular Telescope: first candidates. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 450, is. 3, pp. 3289–3305 (2015)
• Scott Adams et al. The search for failed supernovae with the Large Binocular Telescope: confirmation of a disappearing star. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 468, is. 4, pp. 4968–4981 (2017)
• Andrew Allan et al. The possible disappearance of a massive star in the low-metallicity galaxy PHL 293B. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 496, is. 2, pp. 1902–1908 (2020)
• William Harris Stahl. Astronomy and Geography in Macrobius. Transactions and Proceedings of the American Philological Association, vol. 73, pp. 232-258 (1942)