¿Qué es una supernova?

El Universo es un lugar asombroso y maravilloso, pero, sin duda, también puede ser aterrador. A lo largo de sus más de 93.000 millones de años luz de diámetro, se esconden algunos sucesos tan increíblemente violentos, colosales y destructivos que, simplemente, son inconcebibles para nuestra limitada imaginación.

Y de entre todos estos fenómenos titánicos, las supernovas son las reinas indiscutibles. Estamos hablando de unas explosiones estelares en las que estrellas masivas, con una masa 8 veces más grande que la del Sol, al morir, colapsan sobre sí mismas, liberando ingentes cantidades de energía y rayos gamma que pueden atravesar toda la galaxia, alcanzando temperaturas de 3 mil millones de grados y brillando más que 100.000 estrellas.

Pero lo más asombroso de todo es que, a pesar de su violencia, las supernovas son el motor del Universo. Es gracias a ellas que las estrellas masivas liberan el espacio los elementos químicos pesados que, durante su vida, estuvieron formando en sus entrañas. Como bien dicen, somos polvo de estrellas.

Pero, ¿qué es exactamente una supernova? ¿Qué tipos existen? ¿Cómo se forman? ¿Las estrellas, al morir, dejan algo como remanente? Si siempre has tenido curiosidad acerca de la naturaleza de las supernovas, has llegado al lugar adecuado. En el artículo de hoy responderemos a estas y muchas otras preguntas sobre estas explosiones estelares.

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¿Qué es exactamente una supernova?

El término “supernova” procede del latín stellae novae, que significa “estrella nueva”. El origen de este término se debe a que, en la antigüedad, las personas veían fenómenos en el cielo que parecían explosiones, como si se formara una nueva estrella. De ahí el nombre.

Hoy sabemos que es justo lo contrario. Lejos de ser el nacimiento de una estrella, estamos presenciando la muerte de una. Una supernova es una explosión estelar que ocurre cuando una estrella masiva llega al final de su vida. En este sentido, las supernovas son la última (a veces, la penúltima, pero ya llegaremos a esto) fase de vida de las estrellas que tienen una masa entre 8 y 120 veces la del Sol. (Nota: se cree que las 120 masas solares es el límite de masa de una estrella, aunque algunas parecen burlarlo).

En este sentido, una supernova es el fenómeno astronómico que sucede cuando una estrella masiva (entre 8 y 30 veces la masa del Sol) o hipermasiva (entre 30 y 120 veces la masa del Sol), muere. Y, fruto de esta muerte, la estrella estalla en forma de este colosal suceso.

Se trata de sucesos relativamente extraños en el Universo y difíciles de detectar. De hecho, los astrónomos creen que en una galaxia como la nuestra, la Vía Láctea (que es de tamaño promedio), tienen lugar entre 2 y 3 supernovas cada 100 años. Teniendo en cuenta que nuestra galaxia podría contener más de 400.000 millones de estrellas, estamos, en efecto, ante fenómenos raros.

Aun así, las que hemos podido detectar (en 2006 detectamos una supernova con un resplandor 50.000 millones de veces el del Sol y que se originó por la muerte de una estrella que parecía tener 150 masas solares) han sido suficientes para comprender su naturaleza.

Sabemos que las supernovas son explosiones estelares que producen intensísimos destellos de luz que pueden durar desde varias semanas hasta varios meses alcanzado una luminosidad relativa mayor que la de la propia galaxia. Además, se liberan cantidades ingentes de energía (hablamos de 10 elevado a 44 Joules), así como radiaciones gamma capaces de atravesar toda la galaxia.

De hecho, una supernova situada a varios miles de años luz de la Tierra podría provocar, debido a estos rayos gamma, la desaparición de la vida en la Tierra. Y cuidado, porque UY Scuti, la estrella más grande conocida, parece estar llegando al final de su vida (podrían faltar millones de años para que muera, por eso) y está a “solo” 9.500 años luz de nosotros.

Sea como sea, otro dato interesante de las supernovas es que en el núcleo de la explosión estelar, se alcanzan temperaturas increíblemente altas que solo son superadas por una colisión de protones (y esto sucede a nivel subatómico, así que casi no cuenta) o con la temperatura de Planck (que solo se alcanzó en la trillonésima de trillonésima de trillonésima de segundo después del Big Bang). Una supernova alcanza una temperatura de 3.000.000.000 °C, lo que la convierte en el fenómeno macroscópico más caliente del Universo.

En resumen, una supernova es una explosión estelar que tiene lugar cuando una estrella masiva o hipermasiva llega al final de su vida, estallando y emitiendo los elementos químicos que la estrella había formado por fusión nuclear, liberando cantidades colosales de energía y de radiación gamma capaz de atravesar, alcanzando una temperatura de 3 mil millones de grados y llegando a una luminosidad mayor que la de toda una galaxia.

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¿Cómo se forman las supernovas?

Para entender qué es una supernova, es muy importante comprender su proceso de formación. Y, en este sentido, hay dos principales formas en las que se pueden formar, lo que hace que dividamos las supernovas en dos principales tipos (hay más, pero ya entramos en un terreno más específico): las supernovas Ia y las II.

La formación de las supernovas II: las más frecuentes

Empezaremos con las supernovas II porque no solo son casi 7 veces más frecuentes que las I, sino que responden a la idea general que se tiene de supernova. Pero pongámonos en contexto. Todas las estrellas tienen un ciclo de vida único.

Cuando una estrella nace, tiene una esperanza de vida que está determinada por su masa. Las más pequeñas, como las enanas rojas, viven mucho tiempo (tanto, que ni siquiera ha habido tiempo en el Universo para que ninguna muera, pues podrían vivir 200.000 millones de años), mientras que las más grandes, viven menos tiempo. El Sol vivirá unos 10.000 millones de años, pero las más masivas del Universo pueden vivir menos de 30 millones de años.

Pero, ¿por qué estamos diciendo esto? Porque en su masa y, consecuentemente, su esperanza de vida, radica el secreto de su muerte. Una estrella muere de una forma u otra dependiendo de su masa al nacer. Dependiendo de su masa, está condenada a morir de una manera específica.

¿Y en qué momento muere una estrella? Una estrella muere cuando colapsa bajo su propia gravedad. Cuando una estrella agota su combustible, dejan de haber reacciones de fusión nuclear (no olvidemos que en el núcleo de las estrellas los átomos de los elementos se fusionan para formar elementos más pesados), por lo que se rompe el equilibrio con su masa.

Es decir, dejan de haber reacciones de fusión nuclear que tiren hacia fuera y solo queda la propia gravedad, que empuja a la estrella hacia dentro. Cuando esto ocurre, se produce el conocido como colapso gravitatorio, una situación en la que la propia estrella se derrumba bajo su peso. Su gravedad la destruye.

En estrellas similares al Sol (o de tamaño similar, tanto por abajo como por arriba pero de menos de 8 masas solares), este colapso gravitatorio que sucede cuando la gravedad gana la batalla a la fusión nuclear, hace que la estrella expulse sus capas superficiales y se condense enormemente hasta formar lo que se conoce como enana blanca, que es básicamente el núcleo de la estrella moribunda. Cuando nuestro Sol, muera, dejará como remanente una estrella muy pequeña (más o menos como la Tierra) pero con una masa muy alta, lo que explica que una enana blanca sea uno de los cuerpos celeste más densos del Universo.

Pero no nos interesa lo que sucede en estrellas pequeñas o medianas. Hoy, lo que nos importa es qué pasa cuando una estrella mucho más grande que el Sol muere. Y, en este sentido, cuando nos encontramos con una estrella con una masa de, como mínimo, 8 masas solares, las cosas se ponen más interesantes. Y peligrosas.

Cuando una estrella masiva (entre 8 y 30 veces la masa del Sol) o hipermasiva (entre 30 y 120 veces la masa del Sol), agota su combustible y la gravedad gana la batalla a la fusión nuclear, el colapso gravitatorio resultante no culmina con la “pacífica” formación de una enana blanca, sino en el fenómeno más violento del Universo: una supernova.

Es decir, una supernova de tipo II se forma tras el colapso gravitatorio de una estrella masiva o hipermasiva. La estrella, que dispone de una masa increíblemente grande, agota su combustible y colapsa bajo su propio peso, lo que provoca que estalle en forma de la explosión que ya hemos descrito antes. Las supernovas son fenómenos extraños precisamente por esto. Porque la mayoría de ellas se forman tras el colapso gravitatorio de estrellas masivas o hipermasivas y estas representan menos del 10% de las estrellas de la galaxia.

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La formación de las supernovas Ia: las más extrañas

Ahora bien, pese a que este es el proceso de formación más común y representativo, ya hemos dicho que no es el único. Las supernovas de tipo Ia no se forman tras la muerte por colapso gravitatorio de una estrella masiva o hipermasiva, sino que lo hacen en forma de explosión termonuclear en estrellas de masa baja y media. Nos explicamos.

Las supernovas de tipo Ia se dan en sistemas binarios, es decir, sistemas estelares en los que dos estrellas orbitan una alrededor de la otra. En los sistemas binarios, ambas estrellas suelen tener edades y masas muy parecidas. Pero hay ligeras diferencias. Y a nivel astronómico, “ligero” pueden ser millones de años y trillones de kg de diferencia.

Es decir, en un sistema binario siempre hay una estrella más masiva que la otra. La que sea más masiva, saldrá de su secuencia principal (entrará en la fase de agotar su combustible) más deprisa que la otra, por lo que morirá antes. En este sentido, la estrella más masiva morirá colapsando gravitatoriamente y dejando como remanente la enana blanca que hemos comentado.

Mientras tanto, la estrella menos masiva, sigue en su secuencia principal más tiempo. Pero eventualmente, esta también saldrá de ella. Y cuando agote su combustible, antes de morir por el colapso gravitatorio, aumentará de tamaño (todas las estrellas lo hacen cuando salen de la secuencia principal), dando lugar a una estrella gigante roja e iniciando así la cuenta atrás para el desastre.

Cuando el sistema binario está formado por la enana blanca y la gigante roja que acabamos de comentar, sucede un fenómeno asombroso. La enana blanca (recordemos que su densidad es muy grande) empieza a atraer gravitatoriamente las capas externas de la gigante roja. En otras palabras, la enana blanca se come a su estrella vecina.

La enana blanca aspira a la gigante roja hasta que llega un momento en el que supera el conocido como límite de Chandraskhar, el cual designa el punto en el que los electrones degenerados (que permiten mantener la estabilidad a pesar de las presiones gracias al principio de exclusión de Pauli, que nos dice que dos fermiones no pueden ocupar un mismo nivel cuántico) ya no son capaces de sostener la presión del objeto celeste.

Digamos que la enana blanca “come” más de lo que es capaz de comer. Y cuando se supera este límite, se enciende una reacción nuclear en cadena que empieza por un aumento increíble de la presión en el núcleo que lleva a fusionar, en pocos segundos, una cantidad de carbono que, en condiciones normales, le tomaría siglos en quemar. Esta enorme liberación de energía provoca la emisión de una onda de choque (una onda de presión que viaja más rápido que el sonido) que destruye por completo la enana blanca.

Es decir, una supernova de tipo Ia no se forma tras el colapso gravitatorio de una estrella masiva o hipermasiva, sino porque una estrella enana blanca absorbe tanto material de su estrella vecina que termina estallando por una explosión nuclear que provoca su destrucción. Son supernovas muy raras porque, como vemos, tienen que juntarse muchas condiciones, pero son las más luminosas de todas.

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¿Qué dejan como residuo las supernovas?

Y para terminar, vamos a ver un aspecto muy interesante: los remanentes de las supernovas. Como hemos dicho, las estrellas de masa baja y media (como el Sol), al colapsar gravitatoriamente, dejan como residuo su núcleo condensado en forma de enana blanca. Pero, ¿qué dejan como remanente las estrellas masivas e hipermasivas que estallan en forma de supernova?

Depende, de nuevo, de su masa. Algunas estrellas, al estallar en forma de supernova, no dejan ningún residuo, pues toda la masa de la estrella es liberada en la explosión. Pero esto no es lo más común. Lo más frecuente es que dejen dos de los cuerpos celestes más extraños del Universo: una estrella de neutrones o un agujero negro.

Si la estrella tiene una masa de entre 8 y 20 masas solares, morirá en forma de supernova, pero además de esto, como remanente de la explosión, quedará una estrella de neutrones. El colapso gravitatorio que ha generado la explosión ha sido tan intenso que los átomos en el núcleo de la estrella se han roto. Los protones y los electrones se fusionan en neutrones, por lo que desaparecen las distancias intraatómicas y se pueden alcanzar densidades inimaginables. Se ha formado una estrella de neutrones.

¿Te imaginas una estrella con la masa del Sol pero con el tamaño de la isla de Manhattan? Esto es una estrella de neutrones. Un cuerpo celeste que es el residuo de una supernova en el que los átomos del núcleo de la estrella muerta se han roto por completo, provocando la formación de una estrella de apenas 10 km de diámetro con una densidad de un trillón de kg por metro cúbico.

Hay teorías que hablan de la existencia de hipotéticas estrellas más densas que se generarían tras el colapso gravitatorio de estrellas más masivas que estas casi a las puertas de dejar como remanente un agujero negro. Estamos hablando de las estrellas de quarks (en teoría, los neutrones se romperían, dando lugar a densidades más altas y a una estrella de 1 km de diámetro con una masa varias veces la del Sol) y de las todavía más hipotéticas estrellas de preones (los quarks también se podrían romper en unas hipotéticas partículas llamadas preones, dando lugar a densidades incluso más altas y a una estrella con el tamaño de una pelota de golf con una masa como la del Sol).

Como decimos, todo esto es hipotético. Pero lo que sí sabemos es que las supernovas generadas por la explosión estelar de una estrella de más de 20 masas solares dejan como residuo el cuerpo celeste más extraño del Universo: un agujero negro.

Tras la supernova, el núcleo de la estrella es presa de una gravedad tan increíblemente inmensa que no solo se rompen las partículas subatómicas, sino que la propia materia se ha roto. El colapso gravitatorio ha sido tan intenso que se ha formado un singularidad en el espacio-tiempo, es decir, un punto sin volumen en el espacio, lo que hace que su densidad sea infinita. Ha nacido un agujero negro, un objeto que genera una atracción gravitatoria tan alta que ni siquiera la luz puede escapar de él. En el corazón de la supernova, se ha formado un cuerpo celeste en cuyo interior las leyes de la física se rompen.