Supernovas y la expansión del universo

Esta vez continuamos con la serie de "Cosmología para principiantes" en preparación para el curso de Cosmología y Religión que voy a dictar en Agosto en la UPR de Río Piedras. En este capítulo discutiremos el rol de ciertos eventos raros en astronomía conocidos como "Explosiones Supernova 1A" y la espectacular conclusión que podemos sacar de ellos de que NUESTRO UNIVERSO ESTÁ EXPANDIENDOSE DE FORMA ACELERADA. Algo que tomó a todos los físicos por sorpresa en el año 1998, y de la cual aún no nos hemos recuperado totalmente.

Empecemos por el principio. ¿Qué es una supernova? En esencia es una mega-explosión de una estrella que ya no puede seguir brillando de manera estable. Es la muerte de una estrella que se va del universo con un último despliegue grandioso de luz y materia. La explosión de una supernova es tan fantástica que por un corto período esa estrella solita puede ser millones de veces más brillante que nuestro Sol. La estrella agonizante se puede ver brillar claramente desde otras galaxias a billones de años-luz de distancia.

Para entender la espectacular muerte de las supernovas tenemos que entender un poco de la vida de las estrellas que le precedieron. Como va a morir una estrella depende de cuan gorda y masiva haya sido en vida. Una estrella es una inmensa bola de gas y plasma que se mantiene viva y brillando por un balance entre dos fuerzas cataclísmicas.

Por un lado está la fuerza de gravedad. Una estrella como el Sol pesa 2 x 10³⁰ kg (o como 333 veces lo que pesa toda la Tierra entera). A esta increíblemente grande cantidad de materia se le conoce como una masa solar (Duh!). A esta materia la gravedad tiene a apretarla, tratando de comprimirla toda a un tamaño lo más pequeño posible. Pero en el centro de la estrella esta brutal compresión genera unas presiones y temperaturas tan grandes que la estrella se convierte en una gigantesca explosión termonuclear sostenida cuando átomos de elementos livianos como el hidrógeno empiezan a fusionarse entre sí para producir átomos de elementos más pesados. En una estrella como el Sol este balance entre la gravedad que la quiere achicar y la fusión nuclear que la quiere agrandar puede durar varios billones de años. Pero tarde o temprano la gravedad va a ganar porque ésta es esencialmente eterna mientras que la fusión dura hasta que se acabe el combustible. Cuando la fusión en el centro de la estrella empieza a resultar en átomos de hierro el combustible se acaba porque la fusión de átomos de hierro en vez de producir energía lo que hace es chupar energía. Y ahí se le acaba el baile a la estrella porque ya no hay más energía de fusión para aguantar el constante empuje de la gravedad.

Estrellas pequeñas como nuestro Sol producen una explosión nova (estas son explosiones más pequeñas, y por eso no son "super") terminando su vida como enanas blancas. Esto es un pequeño remanente estelar (más o menos del tamaño del planeta Tierra) donde la gravedad ya no puede apretar más pues los átomos de la estrella están tan y tan juntos ya, que los electrones chocan unos con otros. Las fuerzas de repulsión producto del Principio Cuántico de Exclusión de Pauli (que prohíbe que dos electrones idénticos tengan los mismos números cuánticos) cancelan la gravedad, y ahí termina la estrella.

Sin embargo, estrellas mucho más masivas (sobre 10 masas solares de tal manera que el remanente que quede luego de la explosión sobrepase el límite de Chandrasekhar) producen las brutales explosiones conocidas como supernovas. Los remanentes de una supernova son de dos tipos. O una estrella de neutrones, o los fantásticos y excitantes agujeros negros. Pero estos fabulosos objetos astronómicos son un cuento para otro día. Ahora lo que nos interesa es la explosión de la supernova. ¿Porqué? Porque es una explosión tan y tan brillante que se puede ver clara y definidamente desde galaxias muy lejanas. Solo se han registrado 2 explosiones supernova en nuestra vecindad de esta galaxia, pero los récords históricos que hay indican que con su luz se podía leer aún de noche (cuando eso no había luces eléctricas por doquier, claro está).

Hay un tipo de supernova "combo" (donde en un par de estrellas binarias una hace explotar a la otra) muy rara conocida como Supernova Tipo 1A:

En esta animación de YouTube se ilustra el proceso por el cual se producen las supernovas 1A. Una enana blanca empieza a chupar materia de una compañera gigante roja hasta que sobrepasa el límite de Chandrasekhar y entonces explota para convertirse en una estrella de neutrones. Lo importante de este proceso es que como el mecanismo es siempre igual y la explosión se produce siempre con la misma masa la brillantez de la explosión y su duración se puede predecir con mucha exactitud. A esto se le conoce en astronomía como una "vela estándar". Si sabemos con exactitud cuanta luz produjo la explosión y la comparamos con la luz que vemos a través del telescopio podemos calcular con bastante precisión a qué distancia estaba la estrella que explotó. Y como brillan tanto las podemos ver en los confines más lejanos del universo.

Antes de seguir con el cuento de este capítulo hay que acordarse de la regla de oro en astronomía que descubrió Einstein: NADA PUEDE VIAJAR MÁS RÁPIDO QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ. Esto implica que si vemos una supernova explotar, y la explosión está a un millón de años-luz de distancia, lo que vemos hoy no es la estrella como se ve en este momento sino como se veía hace un millón de años atrás cuando la luz de la explosión empezó a viajar hacia nosotros. Mirar sucesos bien lejanos con un telescopio es como una máquina del tiempo que nos permite verlos como eran en el pasado igual de lejano. Haciendo un Diagrama de Hubble de distancia vs velocidad (representada en la figura por el corrimiento al rojo del espectro) usando data de Supernovas 1A se descubrió en 1998 que las galaxias más lejanas se expandían más lentamente que las más cercanas. Lo cual implica que el universo se expande desde el Big Bang cada vez más y más rápido. Pero esto es totalmente lo opuesto a lo que los astrónomos esperaban encontrar, ya que ellos creían que la gravedad debiera de ir FRENANDO la expansión.

Atuquiti… Otro misterio misterioso más en el universo. Si el universo crece cada vez más rápido, ALGO debe estar empujando todas las galaxias con una fuerza de anti-gravedad para que esto pueda ocurrir. ¿Qué será ese algo misterioso? Lo investigaremos en el próximo capítulo de esta novela de la vida real.

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