Un choque de estrellas de neutrones marca un hito en astronomía

Recreación artística de una colisión de dos estrellas de neutrones. [Universitdad de Warwick/Mark Garlick]

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En febrero de 2016, las colaboraciones LIGO y Virgo anunciaron la primera detección directa de ondas gravitacionales. El hito culminaba una carrera experimental de más de cinco décadas y marcaba el nacimiento de una nueva era en la exploración del cosmos. Pero ¿qué son las ondas gravitacionales? ¿Por qué resultan tan difíciles de observar? ¿Cuándo se obtuvieron los primeros indicios de su existencia? ¿Nos permitirán algún día «ver» la gran explosión que dio origen al universo? Este monográfico digital (en PDF) te ofrece una selección de los mejores artículos publicados en Investigación y Ciencia sobre la búsqueda científica y técnica de uno de los fenómenos más elusivos predichos por la teoría de la relatividad de Einstein.

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Tan solo dos semanas después de protagonizar el premio Nobel de física de 2017, las ondas gravitacionales han vuelto a marcar un antes y un después en la historia de la observación astronómica. En un alarde de coordinación sin precedentes, unos 70 observatorios de todo el mundo han conseguido detectar, por vez primera y de manera simultánea, las dos caras principales de un mismo evento astrofísico: su emisión en ondas gravitacionales y en radiación electromagnética. El fenómeno, una colisión de estrellas de neutrones ocurrida en una galaxia relativamente cercana, marca así un hito en la «astronomía de multimensajeros»: la detección complementaria de señales físicamente muy distintas procedentes de una misma fuente cósmica.

El pasado 17 de agosto, los laboratorios LIGO, en EE.UU., y Virgo, en Italia, detectaron la onda gravitacional GW170817, cuyo origen pudieron localizar en una zona razonablemente acotada del hemisferio sur celeste. Apenas dos segundos después, los telescopios espaciales Fermi, de la NASA, e INTEGRAL, de la Agencia Espacial Europea, observaron un estallido de rayos gamma (GRB) de corta duración en la misma zona del cielo. Una alerta enviada a decenas de observatorios de los cinco continentes hizo que, a lo largo de las horas y los días posteriores, estos apuntaran sus instrumentos hacia dicha región del firmamento y consiguieran completar la imagen del fenómeno en rayos X, ultravioleta, luz visible, infrarrojo y ondas de radio. Los hallazgos se presentan en una serie de artículos publicados en Nature, Nature Astronomy, Science y The Astrophysical Journal Letters.

«El grupo de ondas gravitacionales del DES llevaba trabajando desde hace al menos dos años preparando el seguimiento óptico de un evento como este», explica Juan García-Bellido, cosmólogo del Instituto de Física Teórica de Madrid y miembro del Sondeo de la Energía Oscura (DES), uno de los proyectos participantes y cuyo instrumento principal se encuentra en el Observatorio Interamericano del Cerro Tololo, en Chile. «Recibimos la alerta segundos después de la colisión de las dos estrellas de neutrones y cuando, horas después, la zona del cielo estuvo sobre Chile, la cámara de DES descubrió la fuente en el visible e infrarrojo cercano.»

Según todos los análisis, el fenómeno observado corresponde a una colisión de dos estrellas de neutrones en la galaxia NGC 4993, situada a unos 130 millones de años luz de la Vía Láctea. No solo es la primera vez que se detectan las ondas gravitacionales causadas por un evento de este tipo (todas las observadas hasta ahora procedían de colisiones de agujeros negros), sino que nunca antes la fuente de las ondas había estado tan cercana a la Tierra: en todos los casos registrados hasta ahora, la distancia superaba holgadamente los 1000 millones de años luz. «La cercanía del evento ha permitido caracterizarlo extraordinariamente bien», apunta García-Bellido.

Las estrellas de neutrones son el remanente de explosiones de supernova. Con excepción de los agujeros negros, constituyen los objetos conocidos más densos del universo: presentan una masa pareja a la del Sol pero concentrada en un radio del orden de 10 kilómetros. Tal y como vaticinaban los modelos teóricos, la colisión detectada el 17 de agosto dio lugar a una «kilonova», un fenómeno predicho hace treinta años y ahora confirmado de manera directa por primera vez. Los análisis espectroscópicos apuntan a que en él se produjeron elementos más pesados que el hierro (el límite de síntesis de las estrellas ordinarias), como cesio y telurio. Se cree que los elementos químicos más pesados de la tabla periódica, como el oro y el plomo, también se sintetizan en choques de estrellas de neutrones.

[ESO/L. Calçada. Música: Johan B. Monell (www.johanmonell.com)]  

Por si fuera poco, el fenómeno ha ofrecido además una nueva manera de medir la constante de Hubble: el parámetro que dicta la tasa de expansión del universo actual. Ello se debe a que las ondas gravitacionales permiten calcular la distancia al evento y, de manera independiente, los telescopios ordinarios pueden obtener su desplazamiento al rojo. El resultado es importante por cuanto hace tiempo que se vienen observado discrepancias no muy grandes pero sí persistentes entre los dos métodos principales para medir este parámetro fundamental de la cosmología. Los datos obtenidos gracias a GW170817 apuntan a una tasa de expansión intermedia entre la inferida a partir del fondo cósmico de microondas y la obtenida en mediciones directas del universo local, lo que hace pensar que las discrepancias anteriores podrían deberse a errores sistemáticos en alguna de las técnicas, no a fallos en el modelo cosmológico estándar.

El evento no se ha observado en neutrinos. A pesar de que la alerta del 17 de agosto fue enviada a los detectores IceCube, en la Antártida; ANTARES, cerca de la costa de Toulon; y al Observatorio Pierre Auger, en Argentina, ninguno de ellos observó neutrinos relacionados con la fuente en NGC 4993. Según indican los investigadores, no haber detectado estas partículas permite delimitar las propiedades de los chorros relativistas producidos por la fusión de las estrellas de neutrones. 

En rigor, la astronomía de multimensajeros nació hace unas décadas gracias a los elusivos neutrinos. En los años sesenta se detectaron los primeros neutrinos procedentes del Sol, y en 1987 se observaron los generados en la explosión de supernova SN 1987A, la cual fue también avistada con telescopios ordinarios. Sin embargo, la extraordinaria dificultad que entraña detectarlos aún no ha permitido que estas partículas se conviertan en una herramienta cotidiana para explorar el cosmos. En cambio, los espectaculares éxitos cosechados por LIGO y Virgo en estos últimos dos años auguran un progreso mucho más rápido para la astronomía gravitacional. 

Ernesto Lozano Tellechea

Más información, enlaces y material multimedia en las páginas de LIGO, DESESO (información en castellano) y Nature News.

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