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Primera detección de ondas gravitacionales tras la fusión de dos estrellas de neutrones

ondas gravitacionales
This artist’s impression shows two tiny but very dense neutron stars at the point at which they merge and explode as a kilonova. Such a very rare event is expected to produce both gravitational waves and a short gamma-ray burst, both of which were observed on 17 August 2017 by LIGO–Virgo and Fermi/INTEGRAL respectively. Subsequent detailed observations with many ESO telescopes confirmed that this object, seen in the galaxy NGC 4993 about 130 million light-years from the Earth, is indeed a kilonova. Such objects are the main source of very heavy chemical elements, such as gold and platinum, in the Universe.

La señal procede de una región del cosmos situada a unos 130 millones de años luz, en la galaxia NGC 4993, y fue detectada en la Tierra el pasado 17 de agosto a las 14.41, hora peninsular española. Se trata del eco de una explosión cósmica, una fusión de estrellas de neutrones que generó ondas gravitacionales que han podido ser captadas por los laboratorios construidos en EEUU e Italia con ese fin.

El fenómeno fue observado, asimismo, por sondas espaciales y una red de telescopios terrestres distribuida por todo el planeta. Es decir, esa colisión de estrellas de neutrones -que se produjo a un tercio de la velocidad de la luz- ha podido ser observada tanto en luz (radiación electromagnética) como a través de ondas gravitacionales.

Se trata de la quinta detección de ondas gravitacionales que se produce desde que en 2015 los instrumentos del laboratorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), instalados en dos lugares de EEUU, demostraran por primera vez la existencia de estas ondulaciones en la estructura del espacio-tiempo (algo así como el tejido que compone el universo) que predijo Albert Einstein en 1916. Un logro científico que fue reconocido la semana pasada con el Premio Nobel de Física.

Sin embargo, a diferencia de las cuatro ocasiones anteriores -en las que esas ondas gravitacionales fueron generadas por la fusión de agujeros negros-, las que se han observado ahora proceden de la fusión de dos estrellas de neutrones. Se trata de la primera vez que se observa un fenómeno semejante.

Producen oro y platino

Las estrellas de neutrones son objetos muy compactos que rotan muy rápidamente y que se originan cuando una estrella muy masiva expulsa su envoltura en una explosión de supernova. Son, por tanto, los remanentes de estrellas muy masivas que han agotado su combustible.

El fenómeno que se ha observado ahora fue descrito por los científicos hace casi tres décadas: una fusión de dos estrellas de neutrones produciría un estallido corto de rayos gamma (GRB), ondas gravitacionales y una kilonova. La kilonova, es decir, el objeto resultante de la fusión de esas dos estrellas de neutrones, expulsa al espacio elementos pesados como el oro y el platino.

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El 17 de agosto, los detectores terrestres LIGO, en Washington, y Virgo, en Italia, captaron las ondas gravitacionales resultantes de una de esas fusiones de estrellas de neutrones y, dos segundos después, los satélites espaciales Fermi (de la NASA) e INTEGRAL (de la Agencia Espacial Europea) detectaron una de esas explosiones de rayos gamma, dando así la alerta para que diversos grupos de todo el mundo comenzaran a investigar ese fenómeno. Los resultados de esas investigaciones salen a la luz esta semana en diversos estudios publicados en las revistas ScienceNature y the Astrophysical Journal.

“Las estrellas de neutrones fueron descubiertas en Cambridge precisamente hace ahora 50 años. El descubrimiento, que ocurrió en julio de 1967, se publicó en febrero de 1968. Hace años que sabíamos que las estrellas de neutrones pueden colisionar y fusionarse, pero son eventos muy raros y muy difíciles de detectar“, explica a EL MUNDO el británico Martin Rees, cosmólogo y astrofísico de la Universidad de Cambridge.

“La razón por la cual esta detección de ondas gravitacionales es más interesante que las anteriores es porque cuando dos agujeros negros colisionan, no ves nada, pero cuando chocan dos estrellas de neutrones ves destellos de luz, de modo que puedes hacer también observaciones”, añade Rees, ex presidente de la Royal Society.

“Durante años hemos oído a los físicos teóricos hablar sobre cómo debía ser una kilonova. No me puedo creer que por fin hayamos podido ver una”, ha señalado Iair Arcavi, investigador de la Universidad de California y uno de los autores del estudio publicado en Nature.

Participación española

Científicos del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) liderados por Alberto Castro-Tirado forman parte del equipo internacional que ha estudiado esa quinta detección de ondas gravitacionales, que ha permitido establecer con claridad también esa vinculación entre la fusión de estrellas de neutrones y la producción de elementos químicos en el universo. Y es que la mayoría de los elementos químicos tienen un origen astronómico y se produjeron en etapas próximas al Big Bang o en las estrellas.

Según explica en un comunicado Christina Thöne, investigadora del IAA, lo que han observado ahora podría considerarse el testimonio de dos estrellas que, posiblemente, murieron hace unos 10.000 millones de años, pero que les ha permitido estudiar los elementos pesados que se forman en estos entornos y confirmar que la fusión de estrellas de neutrones constituye una de las fuentes de esos elementos.

Investigadores de la Universidad de las Islas Baleares y de la Universidad de Valencia se dedican también al estudio de las ondas gravitacionales, a partir de los datos obtenidos por los detectores LIGO y Virgo.

Telescopios terrestres y espaciales

Una vez que se detectó el fenómeno, se hizo un seguimiento del mismo con numerosos instrumentos, entre ellos, los telescopios terrestres del Observatorio Europeo Austral (ESO) y el telescopio espacial Hubble, de NASA y ESA, que tomó imágenes de la galaxia NGC 4993 en luz visible y en el infrarrojo que revelaron un objeto más brillante que una nova pero más débil que una supernova. Durante los seis días que Hubble estuvo observándolo, fue haciéndose cada vez más débil.

Para Nial Tanvir, profesor de la Universidad de Leicester y líder del equipo que hizo las observaciones con el Hubble, las implicaciones de estas observaciones son inmensas: “Este descubrimiento ha abierto una nueva vía en la investigación astronómica en la que combinamos información de la luz electromagnética y de las ondas gravitacionales. Lo llamamos multi-messenger astronomy (astronomía multi-mensajero), pero hasta ahora era sólo un sueño”.

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Entre los astrónomos que se pusieron manos a la obra tras recibir la alerta figuran los del Observatorio Las Cumbres (LCO por sus siglas en inglés), cuya sede está en California y cuenta con 20 telescopios repartidos por todo el mundo. Los apuntaron hacia la región del cielo que rodea la constelación de Hydra, convirtiéndose en uno de los grupos que vieron esa nueva fuente de luz cerca de la galaxia NGC 4993. Los telescopios chilenos de la red fueron los primeros en observar esa kilonova, que fue después captada por los instrumentos de Australia y después, en Sudáfrica. Así pudieron ver este fenómeno durante varios días consecutivos.

“Gracias a que sabíamos hacia dónde mirar y teníamos una red de telescopios por el mundo, fuimos capaces de observar este nuevo tipo de explosión cósmica en su inicio y en su final”, ha declarado Curtis McCully, investigador del LCO y coautor de uno de los estudios.

Por su parte, Andrew Levan, de la Universidad de Warwick, destaca que las ondas gravitacionales les proporciona información complementaria de objetos que son muy difíciles de estudiar usando sólo ondas electromagnéticas. Al unir ambas, añade, los científicos podrán entender mejor algunos de los eventos más extremos del universo:”Ya no miraremos sólo la luz de un objeto, como hemos hecho a lo largo de cientos de años. Ahora podremos escucharlo también”.

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