Por qué el telescopio espacial James Webb está reescribiendo la historia de la Nebulosa del Cangrejo

La Nebulosa del Cangrejo es un ejemplo cercano de los restos que quedan cuando una estrella sufre una muerte violenta en una explosión de supernova.

Sin embargo, a pesar de décadas de estudio, este remanente de supernova sigue manteniendo un cierto grado de misterio: ¿Qué tipo de estrella fue responsable de la creación de la Nebulosa del Cangrejo y cuál fue la naturaleza de la explosión?

Ahora, el telescopio espacial James Webb de la NASA ha proporcionado una nueva visión del Cangrejo, que incluye los datos infrarrojos de mayor calidad disponibles hasta el momento para ayudar a los científicos a explorar la estructura detallada y la composición química del remanente. Estas pistas están ayudando a desentrañar la forma inusual en que explotó la estrella hace unos 1000 años.

Por primera vez, los astrónomos han cartografiado la emisión de polvo cálido en todo el remanente de supernova. Representados como material magenta esponjoso, los granos de polvo forman una estructura similar a una jaula que es más evidente hacia las partes inferior izquierda y superior derecha del remanente. Estos hallazgos han sido publicados en The Astrophysical Journal Letters.

Los filamentos de polvo también están enhebrados por todo el interior del Cangrejo y a veces coinciden con regiones de azufre doblemente ionizado (azufre III) coloreado en verde. Los filamentos moteados de color blanco amarillento, que forman grandes estructuras similares a bucles alrededor del centro del remanente de supernova, representan áreas donde el polvo y el azufre doblemente ionizado se superponen.

La estructura similar a una jaula del polvo ayuda a limitar parte, pero no toda, la emisión fantasmal de sincrotrón representada en azul. La emisión se asemeja a volutas de humo, más notables hacia el centro del Cangrejo. Las delgadas cintas azules siguen las líneas del campo magnético creadas por el corazón del púlsar del Cangrejo, una estrella de neutrones que gira rápidamente.

Utilizando el telescopio espacial James Webb de la NASA, un equipo de científicos analizó la composición de la Nebulosa del Cangrejo, un remanente de supernova ubicado a unos 6.500 años luz de distancia en la constelación de Tauro. Con el instrumento MIRI (Mid-Infared Instrument) y la cámara NIRCam (Near-Infrared Camera) del telescopio, el equipo recopiló datos que están ayudando a aclarar la historia de la Nebulosa del Cangrejo.

La Nebulosa del Cangrejo es el resultado de una supernova que colapsó por la muerte de una estrella masiva. La explosión de la supernova fue vista en la Tierra en el año 1054 d. C. y fue lo suficientemente brillante como para ser vista durante el día. El remanente mucho más débil que se observa hoy es una capa de gas y polvo en expansión y un viento que emana impulsado por un púlsar, una estrella de neutrones que gira rápidamente y está altamente magnetizada .

Su composición atípica y la energía de explosión muy baja se han explicado anteriormente mediante una supernova de captura de electrones, un tipo raro de explosión que surge de una estrella con un núcleo menos evolucionado compuesto de oxígeno, neón y magnesio, en lugar de un núcleo de hierro más típico.

“Ahora los datos del Webb amplían las posibles interpretaciones. La composición del gas ya no requiere una explosión de captura de electrones, sino que también podría explicarse por una supernova débil de colapso de núcleo de hierro”, explicó Tea Temim, autor principal del estudio en la Universidad de Princeton en Nueva Jersey.

Investigaciones anteriores han calculado la energía cinética total de la explosión basándose en la cantidad y las velocidades de los materiales eyectados en la actualidad. Los astrónomos dedujeron que la naturaleza de la explosión fue de energía relativamente baja (menos de una décima parte de la de una supernova normal) y que la masa de la estrella progenitora estaba en el rango de ocho a diez masas solares, oscilando en la delgada línea entre las estrellas que experimentan una muerte violenta por supernova y las que no.

Sin embargo, existen inconsistencias entre la teoría de las supernovas de captura de electrones y las observaciones del Cangrejo, en particular el rápido movimiento observado del púlsar. En los últimos años, los astrónomos también han mejorado su comprensión de las supernovas de colapso de núcleo de hierro y ahora creen que este tipo también puede producir explosiones de baja energía, siempre que la masa estelar sea adecuadamente baja.

Para reducir el nivel de incertidumbre que rodea a la estrella progenitora del Cangrejo y la naturaleza de la explosión, el equipo dirigido por Temim utilizó las capacidades espectroscópicas del Webb para concentrarse en dos áreas ubicadas dentro de los filamentos internos del Cangrejo.

Las teorías predicen que debido a la diferente composición química del núcleo de una supernova de captura de electrones, la proporción de abundancia de níquel a hierro (Ni/Fe) debería ser mucho mayor que la proporción medida en nuestro Sol (que contiene estos elementos de generaciones anteriores de estrellas).

Estudios realizados a fines de la década de 1980 y principios de la de 1990 midieron la proporción de Ni/Fe dentro del Cangrejo utilizando datos ópticos y de infrarrojo cercano y observaron una alta proporción de abundancia de Ni/Fe que parecía favorecer el escenario de una supernova de captura de electrones.

El telescopio Webb, con sus sensibles capacidades infrarrojas, está avanzando ahora en la investigación de la Nebulosa del Cangrejo. El equipo utilizó las capacidades espectroscópicas de MIRI para medir las líneas de emisión de níquel y hierro, lo que dio como resultado una estimación más fiable de la relación de abundancia de Ni/Fe. Descubrieron que la relación seguía siendo elevada en comparación con el Sol, pero solo modestamente y mucho más baja en comparación con las estimaciones anteriores.

Los valores revisados son consistentes con la captura de electrones, pero no descartan una explosión por colapso del núcleo de hierro de una estrella de masa igualmente baja. Además de extraer datos espectrales de dos pequeñas regiones del interior de la Nebulosa del Cangrejo para medir la relación de abundancia, el telescopio también observó el entorno más amplio del remanente para comprender los detalles de la emisión de sincrotrón y la distribución del polvo.

Las imágenes y los datos recopilados por MIRI permitieron al equipo aislar la emisión de polvo dentro del Cangrejo y mapearla en alta resolución por primera vez. Al mapear la emisión de polvo cálido con Webb, e incluso combinarla con los datos del Observatorio Espacial Herschel sobre los granos de polvo más fríos, el equipo creó una imagen completa de la distribución del polvo: los filamentos más externos contienen polvo relativamente más cálido, mientras que los granos más fríos predominan cerca del centro.

“El lugar donde se observa el polvo en el Cangrejo es interesante porque difiere de otros remanentes de supernova, como Cassiopeia A y Supernova 1987A”, dijo Nathan Smith del Observatorio Steward de la Universidad de Arizona y coautor del artículo.

Y concluyó: “En esos objetos, el polvo está en el centro mismo. En el Cangrejo, el polvo se encuentra en los filamentos densos de la capa exterior. La Nebulosa del Cangrejo está a la altura de una tradición en astronomía: los objetos más cercanos, más brillantes y mejor estudiados tienden a ser extraños”.