Por Francisco Förster, investigador del Instituto Milenio de Astrofísica y del Centro de Modelamiento Matemático UChile.
Las supernovas están entre los fenómenos más espectaculares del universo. Se originan cuando en el interior de algunas estrellas ocurren explosiones capaces de destruirlas, expulsando su material a decenas de miles de kilómetros por segundo, tan rápido que atravesaría todo Chile de norte a sur en una fracción de segundo. Como resultado, estas estrellas se convierten en nubes de gas caliente en expansión que pueden brillar tanto como todas las estrellas de una galaxia. Gracias a estos eventos los elementos químicos pesados que se sintetizan lentamente al interior de las estrellas a lo largo de sus vidas estables, pero también rápidamente durante la explosión como supernova, pueden enriquecer el universo con los ingredientes básicos para la vida. Prácticamente todo el fierro que hay en el universo se crea durante los primeros segundos de estas increíbles explosiones, supernova tras supernova, a una tasa de una explosión cada 100 años por galaxia durante los últimos 13 mil millones de años.
Las supernovas jugaron un papel importante en los orígenes de la ciencia moderna cuando dos de ellas explotaron en nuestra propia galaxia en 1572 y 1604 y fueron estudiadas por Tycho Brahe, Johanes Kepler y Galileo Galilei. A partir de entonces el estudio de las supernovas ha evolucionado desde la observación a ojo desnudo de las escasas explosiones en nuestra galaxia al estudio de supernovas en grandes volúmenes del universo con cámaras digitales y analizados por súper computadoras. Desde Chile, grandes colaboraciones internacionales, con destacada colaboración local, han tenido un rol importante en descifrar los misterios de estas explosiones.
Siguiendo esta tradición en 2013 reunimos un equipo interdisciplinario entre el Centro de Modelamiento Matemático y el Instituto Milenio de Astrofísica para iniciar una búsqueda de supernovas usando la cámara astronómica más grande del hemisferio sur, la Dark Energy Camera (DECam), montada en el telescopio de 4 metros de Cerro Tololo, el mismo telescopio que tuvo un rol clave para el descubrimiento de la expansión acelerada del universo usando supernovas y que llevó al premio Nobel de física 2011. En particular, nos interesaba buscar las señales de luz más tempranas de las supernovas, el shock breakout, que corresponde a los primeros instantes en que la onda de choque de la explosión interna llega a la superficie de la estrella. Nos propusimos detectar esta fase en tiempo real, algo nunca antes hecho para estos volúmenes de datos, para gatillar observaciones inmediatas con otros telescopios.
En 2014 y 2015 pudimos realizar esta búsqueda de supernovas con DECam. Observamos un área del cielo mayor que 200 veces el tamaño de la Luna cada una hora y media, durante seis noches seguidas, y procesamos más de un de millón de millones de pixeles. Encontramos más de 100 supernovas, algunas de ellas a sólo horas de su explosión. Fue necesario desarrollar nuevas técnicas de procesamiento de imágenes, nuevas técnicas para operar sobre las imágenes de forma distribuida en el supercomputador leftraru (en el laboratorio nacional de computación de alto rendimiento), nuevas técnicas de inteligencia artificial para filtrar los millones de falsos candidatos producidos en el proceso de búsqueda y nuevas técnicas de visualización para entregar la información en tiempo real a los astrónomos. Sobre todo, fue necesario articular redes de colaboración interdisciplinaria, algo no fácil de hacer y contrario a la hiper especialización característica de la ciencia moderna.
Aun cuando fuimos capaces de descubrir estas explosiones tan jóvenes nos quedaron muchas preguntas porque no encontramos la señal predicha por los modelos teóricos. Luego de más de un año analizando los datos para entender por qué no detectamos el shock breakout llegamos a la conclusión que realmente algunos modelos parecen ir en contra de nuestras observaciones, mientras que otros parecen ser consistentes con ellas (más información en https://arxiv.org/pdf/1609.03567.pdf).
Sólo las estrellas muy grandes, en este caso súper gigantes rojas, tienen una superficie lo suficientemente grande como para que la emergencia de la onda de choque sea detectable por nuestros telescopios. Si la estrella es muy pequeña el evento tendría una duración y brillo menores. Las supernovas que seríamos capaces de detectar son llamadas de tipo II y se originarían de estrellas súper gigantes rojas de típicamente cientos de veces el tamaño del Sol, mientras más masivas más grandes. Cuando las supernovas ocurren en galaxias muy cercanas a la nuestra es posible estudiar estas estrellas antes de la explosión directamente, en imágenes de las galaxias más cercanas a la Vía Láctea obtenidas previamente y con otros fines. Este tipo de observaciones llevó a otros astrónomos a concluir que sólo las estrellas súper gigantes rojas de menor tamaño explotarían como supernovas. Nuestro resultado es consistente con este tipo de observaciones, ya que sugiere que las estrellas súper gigantes rojas más grandes y masivas no explotan como supernovas, sino que probablemente pierden su gran envoltura antes de llegar al final de sus vidas y sólo producen shock breakouts modestos.
Este tipo de ciencia presenta oportunidades enormes de realizar nuevos descubrimientos, pero requiere formar una nueva generación de científicos que sean capaces de interactuar de forma interdisciplinaria con colaboradores de áreas diversas como la matemática o la computación. El Instituto Milenio de Astrofísica y el Centro de Modelamiento Matemático han sido pioneros en internarse en esta nueva forma de hacer ciencia.
