Espacio

Detectadas las primeras ondas gravitacionales resultantes de la colisión de estrellas de neutrones

El asombroso descubrimiento ha ayudado a los astrónomos a zanjar un acalorado debate sobre los orígenes cósmicos del oro y la plata.jueves, 9 de noviembre de 2017

Por Nadia Drake
Dos estrellas de neutrones colisionan en un fenómeno explosivo denominado kilonova en esta ilustración. El 16 de octubre de 2017, los astrónomos anunciaron la primera detección confirmada de ondulaciones en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales, creadas por este tipo de fenómeno violento —y visible—.
Este artículo se publicó el 16 de octubre de 2017 y ha sido actualizado para incluir los resultados más recientes de las observaciones de seguimiento.

Hace unos 130 millones de años, dos estrellas muertas colisionaron violentamente y desencadenaron una serie de acontecimientos que, durante los últimos dos meses, han provocado un frenesí de investigaciones en el mundo de la astronomía.

En varias conferencias celebradas en diversos continentes, se ha anunciado la primera detección de ondas gravitacionales creadas por la colisión de dos estrellas de neutrones.

Las ondas gravitacionales, cuya existencia predijo Albert Einstein por primera vez en 1916, son distorsiones en el tejido espacio-temporal provocadas por fenómenos cósmicos extremadamente violentos. Hasta ahora, todas las detecciones confirmadas implicaban la colisión entre dos agujeros negros, algo que no deja una huella visible en el cielo.

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Pero para este último fenómeno, los equipos emplearon aproximadamente un centenar de instrumentos en unos 70 observatorios para ser capaces de rastrear y observar el cataclismo en varias longitudes de onda de luz, lo que ha permitido a los astrónomos examinar la fuente de estas ondulaciones cósmicas por primera vez.

«Hemos observado un fenómeno totalmente nuevo que los humanos nunca habían visto antes», afirma Andy Howell, de la Universidad de California, Santa Bárbara.  «Es algo impresionante pensar que esto podría no volver a suceder en nuestra vida».

A diferencia de la colisión de agujeros negros, la colisión entre estrellas de neutrones expulsa desechos metálicos radioactivos que pueden detectarse mediante telescopios, si se sabe cuándo y dónde buscar.

«Detectamos que el universo temblaba debido a la fusión de dos estrellas de neutrones y eso nos reveló dónde ir y hacia dónde orientar nuestros telescopios», afirma Howell, cuyo equipo fue uno de los muchos que persiguieron estas estrellas vinculadas a la señal de la onda gravitacional.

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El tejido del espacio-tiempo se distorsiona a medida que dos estrellas de neutrones giran hacia su fin en esta ilustración.

Finalmente, unas 3.500 personas llegaron a estar involucradas en la detección de ondas gravitacionales y en el subsiguiente análisis forense astrofísico. Los resultados del gigantesco proyecto se han publicado hoy en 40 estudios en varias revistas científicas, entre ellas Science y Physical Review Letters.

Juntas, las observaciones ayudan a los astrónomos a verificar algunas teorías físicas tradicionales y a zanjar el debate sobre el origen del oro y de otros elementos pesados del cosmos. Estos descubrimientos han hecho posible el campo incipiente de la astronomía de ondas gravitacionales.

«Esta es la primera vez que detectamos la espiral mortal de dos estrellas de neutrones y que también observamos los fuegos artificiales que salen de la fusión final», explicó Vicky Kalogera de la Universidad Northwestern durante una conferencia de prensa celebrada en Washington D.C. el 20 de diciembre.

Comienza la aventura

Las primeras pruebas, aunque indirectas, de la existencia de las ondas gravitacionales aparecieron en 1974. Sin embargo, detectar las ondas de forma directa resultó una tarea difícil durante décadas, debido a que la cantidad de distorsión que generan en el espacio-tiempo en la Tierra es minúscula: del orden de una fracción de la anchura del núcleo de un átomo.

Un mapa celestial muestra las detecciones de ondas gravitacionales confirmadas hasta la fecha, y una detección candidata a serlo. Las franjas muestran dónde se onduló el espacio-tiempo por cada fenómeno, mientras que los números indican la fecha de la detección. El fenómeno más reciente, GW170817, se registró el 17 de agosto de 2017.

Para tratar de percibir estos cambios tan ridículamente diminutos en el cosmos, los investigadores crearon el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser, o LIGO. Los detectores gemelos del observatorio emplean láseres para medir el más mínimo cambio en la distancia entre pares de espejos, provocados por el paso de ondas gravitacionales sobre la Tierra. Un tercer detector, gestionado por el equipo europeo de Virgo, hace lo mismo.

A principios de 2016, los científicos de LIGO anunciaron un gran avance: sus instrumentos de alta precisión habían capturado finalmente su rastro. Desde entonces, LIGO ha confirmado tres fenómenos más, cada uno de ellos creado por la colisión entre agujeros negros, y los líderes del equipo han sido galardonados con el Premio Nobel de Física de 2017.

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Sin embargo, a primeras horas de la mañana del 17 de agosto, los detectores del LIGO registraron algo nuevo. Las ondas gravitacionales que modificaron la distancia entre esos dos pares de espejos contenían indicios reveladores que sugerían que su fuente no eran agujeros negros, sino estrellas muertas que se habían fusionado.

Dos segundos después de que esas señales sacudieran los detectores de LIGO, el telescopio Fermi de rayos gamma de la NASA detectó un destello de rayos gamma procedente de la misma región general de cielo que la señal de LIGO. El destello, que solo duró unos segundos, parecía una ráfaga corta de rayos gamma, un tipo de explosión cósmica que se cree que es provocada por la colisión entre estrellas de neutrones.

¿Coincidencia? El equipo de LIGO-Virgo no lo creía. Enviaron el equivalente a una Batseñal para avisar a los observadores de que, si actuaban con rapidez, podrían examinar los desechos que había dejado la aniquilación mutua de las estrellas y, por primera vez, observar sus consecuencias: el nacimiento de las ondas gravitacionales.

Dicha señal dio pie a observaciones de seguimiento por parte de equipos de todo el planeta, todos ellos intentando ayudar a unir las piezas de este rompecabezas cósmico. Pero lo más importante era que, en primer lugar, los equipos necesitaban saber hacia dónde dirigir todo su elegante hardware.

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A la caza de la galaxia

Aquí es donde entra Charlie Kilpatrick, estudiante de posdoctoral en la Universidad de California, Santa Cruz. Después de haber detectado la onda gravitacional y los rayos gamma, Kilpatrick y sus colegas se pusieron manos a la obra rápidamente, buscando entre un montón de galaxias en la misma región de la que procedía la fuente de las nuevas señales.

Una imagen del telescopio espacial Hubble muestra la galaxia ovalada NGC 4993 cuatro meses antes de la reciente detección de ondas gravitacionales (izquierda) y un punto rojo que apareció en la galaxia en agosto de 2017 (derecha).

Contaban con un telescopio pequeño y humilde sobre el terreno en Chile y, tan pronto como el cielo chileno se oscureció, decidieron apuntarlo hacia cada una de esas galaxias y buscar señales de actividad. Pero tenían que ser rápidos: esa porción de cielo solo sería visible durante una o dos horas antes de esconderse tras el horizonte.

Aproximadamente 10 horas después de que se emitiera la alerta de LIGO-Virgo, la quinta galaxia analizada por Kilpatrick mostró un brillo que antes no estaba allí, una señal muy tentadora de que algo estaba ocurriendo. El equipo envió un telegrama alertando a otros sobre el descubrimiento. En 42 minutos, otros cinco grupos, incluyendo los de Howell, tenían la galaxia en su punto de mira.

«Poco a poco empecé a darme cuenta de la importancia de esto», afirmó Kilpatrick.

Durante los días posteriores, una flota de observatorios se unieron a la fiesta. Durante semanas, la fuente de la onda gravitacional, cerca del límite de una galaxia en forma ovalada llamada NGC 4993, fue la más observada del firmamento.

En esa región espacial, dos estrellas de neutrones habían estado danzando en espiral la una alrededor de la otra durante años, una danza destinada a finalizar en una segunda muerte aún más violenta. Tras millones de años de preparación, su colofón mortal fue tan intenso que deformó y distorsionó el tejido cósmico espacio-temporal, generando ondas gravitacionales que finalmente nos alertarían de su muerte.

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El origen de los elementos pesados

Gracias al rápido trabajo de estos detectives astronómicos, los científicos pudieron estudiar la explosión a través de todo el espectro electromagnético, desde ondas de radio a rayos gamma. 

Usando los telescopios Swope y Magallanes en Chile, los astrónomos registraron la explosión de estrellas de neutrones cuando apareció repentinamente como un punto brillante visible (izquierda) y a continuación tenue (derecha). Una semana después, esta mancha ya no pudo ser detectada en longitudes de onda visibles.

Esta colisión zanja un largo debate sobre el origen de los elementos pesados de la tabla periódica: metales preciosos, entre ellos el oro y el platino, y materiales como el neodimio, utilizado por los científicos para construir láseres como los del LIGO.

Durante mucho tiempo, los científicos habían pensado que estos metales se forjaban principalmente en los vientres de las grandes estrellas que sufrían muertes explosivas. Pero investigaciones recientes sugerían que dichas supernovas no expulsaban material suficiente al cosmos como para justificar lo que observamos.

Para construir estos elementos se necesita un exceso de neutrones, una de las partículas que componen los núcleos de los átomos. Como cabría sospechar, estos se liberan en enormes cantidades cuando las estrellas de neutrones se hacen pedazos.

Estudiando la explosión en luz infrarroja, los equipos determinaron que los desechos contenían al menos el equivalente a 10.000 tierras de materiales preciosos, más que suficiente para sembrar el cosmos con las cantidades observadas. 

«Estos fenómenos, de hecho, pueden explicar todo el oro y los elementos pesados en el universo actualmente», afirma Enrico Ramírez-Ruiz de la Universidad de California, Santa Cruz. Las observaciones, según él, son «sencillamente sobrecogedoras; el nivel y la calidad de los datos es algo hermoso».

Sin embargo, otras partes de la historia que nos cuentan estos fenómenos todavía están rodeadas de misterio. Para empezar, todavía no queda claro qué es lo que queda tras la colisión de dos estrellas de neutrones. Todo lo que sabemos es que los restos de esa colisión tienen 2,6 veces la masa del Sol.

Con esa masa y las estrellas de neutrones iniciales, es casi sin duda un agujero negro, afirma Feryal Ozel, de la Universidad de Arizona. Entre otras posibilidades menos probables se encuentra una anómala estrella de neutrones hipermasiva; pero este tipo de objeto cambiaría de forma radical lo que los científicos saben sobre la física de las estrellas de neutrones. 

Más incógnitas por resolver

Independientemente de su identidad, los restos de la colisión plantean una serie de preguntas sobre los objetos más densos que conocemos en el universo.

«Nadie ha observado una estrella de neutrones o un agujero negro con una masa medida de forma adecuada que se encuentre entre 2 y unas 5 masas solares», afirma Alan Weinstein, de Caltech, miembro del equipo de LIGO. 

Además, la explosión y sus consecuencias no se desarrollaron exactamente según lo predicho. La ráfaga de rayos gamma era relativamente débil, con rayos mucho más tenues que en otros fenómenos similares observados con anterioridad, según Mansi Kasliwal, de Caltech. Es más, llevó más tiempo del esperado que los rayos X y las ondas de radio llegaran a los detectores tras la explosión.

Esto podría significar que los chorros de radiación de alta velocidad expulsados por la explosión no estaban dirigidos de forma directa a la Tierra, sino que estaban desviados ligeramente de su eje, según Daryl Haggard de la Universidad McGill, cuyo equipo utilizó el Observatorio Chandra de rayos X para observar la colisión.

O quizá podría significar que está sucediendo algo más complejo. Quizá, según sugiere Kasliwal, una especie de capullo de restos llenos de energía expulsados por el estallido habría ahogado cualquier hipotética ráfaga que se hubiera producido inicialmente. Los científicos esperan que las observaciones continuas de las ondas de radio, que deberían ser visibles durante más tiempo, ayuden a resolver esta incógnita.

«Aunque las emisiones de radio se unieron tarde a la fiesta, serán las últimas en marcharse, ¡y vienen cargadas de regalos!», afirma Gregg Hallinan, de Caltech.

Las observaciones de finales de diciembre, realizadas a partir de más de 100 días de datos por radio, respaldarían la hipótesis de una ráfaga ahogada por dicho «capullo» de restos. Esto plantea la pregunta de si estas fusiones son en realidad las responsables de los brotes de rayos gamma cortos. El equipo que informó de los resultados, publicados el 20 de diciembre en la revista Nature, sugiere que quizá la colisión de las estrellas de neutrones sea la responsable de un tipo de ráfaga astrofísica fugaz que no se había reconocido anteriormente.

Por ahora, las futuras observaciones tendrán que esperar: la posición de la galaxia en el firmamento es tan cercana al Sol ahora mismo, que sería peligroso que algunos telescopios la observaran. Cuando se aleje un poco más del resplandor de nuestra estrella, los telescopios volverán a apuntar hacia ella para contemplar los últimos restos que queden de la explosión.

Mientras tanto, los astrónomos celebrarán su buena suerte por haber visto la explosión con un grado de detalle tan alto. 

«Estas cosas explotaron hace 130 millones de años», afirma Maria Drout, de los Observatorios Carnegie. «Pero si hubiera ocurrido un mes después, no hubiéramos podido verlo. Los detectores habrían estado apagados y se habría encontrado detrás del Sol».

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