Captan por primera vez luz y ondas gravitacionales de la misma fuente: una kilonova

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Un descubrimiento histórico en ondas gravitacionales abre una nueva era en la Astrofísica.

Por primera vez los científicos han podido observar un mismo fenómeno, la fusión de estrellas de neutrones, con telescopios y «escucharlo» con estas distorsiones del espacio-tiempo. El avance revoluciona la ciencia.

El anuncio de la primera detección de ondas gravitacionales, ocurrido en febrero de 2016, fue histórico.

Por primera vez se confirmó que estas distorsiones del espacio-tiempo predichas por la Relatividad de Einstein eran una realidad.

Las ondas gravitatorias son ondulaciones en la estructura del espaciotiempo, el “tejido” que compone el universo y que podemos imaginar como una malla elástica tensada.

Una malla que, ante la presencia de materia, se curva. Esta curvatura en la geometría del espaciotiempo debido a la presencia de materia es la causante de los efectos gravitatorios que rigen el movimiento de los cuerpos (tanto el de los planetas alrededor del Sol como el de los cúmulos de galaxias).

Einstein predijo, en su teoría general de la relatividad (1916), la existencia de ondas gravitatorias, un fenómeno asociado a los objetos que generan los entornos gravitatorios más extremos, como los sistemas binarios de agujeros negros y estrellas de neutrones.

Estos sistemas generarían distorsiones en el espaciotiempo que, al igual que las ondas que produce una piedra en el agua, se propagan desde el origen a la velocidad de la luz acarreando valiosa información sobre los objetos que producen las ondas y sobre la naturaleza de la gravedad.

Por primera vez se comprobó que la tecnología era tan refinada como poder captar unas señales tan sutiles como estas y que, por tanto, ahora podía estudiarse el Universo a través de ellas en vez de con las ondas electromagnéticas (luz, rayos X o gamma), como siempre se ha hecho.

Desde entonces, no solo se puede ver el Universo, también se puede «escuchar». Gracias a eso se han detectado hasta el momento la fusión de agujeros negros binarios en cuatro ocasiones, y se ha comenzado a vislumbrar que son más abundantes de lo esperado.

Ahora, los científicos han logrado observar con telescopios y «escuchar» con ondas gravitacionales una misma fuente: en concreto, un evento de fusión de estrellas de neutrones situado en una galaxia «cercana», a 130 millones de años luz.

Los cálculos realizados por los científicos muestran que se trata de la onda gravitacional más cercana y de la explosión de rayos gamma más próxima detectadas hasta la fecha.

El hecho de que ambos eventos estén ubicados a poca distancia de nuestro planeta, en comparación con el resto de ondas gravitacionales que habían sido escuchadas durante los últimos meses, ha permitido determinar el origen inesperado de esta nueva señal.

El motivo es que la fusión de estrellas de neutrones crea ondas gravitacionales más débiles que las originadas por la colisión de agujeros negros, la fuente de las cuatro señales detectadas anteriormente.

La quinta onda gravitacional detectada ahora procede de la fusión de dos estrellas de neutrones, que posiblemente murieron hace unos 10.000 millones de años.

Más de 70 observatorios astronómicos terrestres y espaciales y más de 3.500 científicos de todo el globo han observado esta fusión cuyas ondas gravitacionales se han captado.

Gracias a esto se han hecho múltiples descubrimientos relacionados con aspectos muy variados, como el comportamiento de la materia, la generación de átomos pesados en el espacio, el origen de los estallidos de rayos gamma o la tasa de expansión del Universo.

Este es hasta ahora uno de los eventos astrofísicos más observados e inaugura una nueva era en la astronomía que durante las próximas décadas se sumergirá en los misterios del Universo.

«Esta observación representa el nacimiento de la astrofísica de múltiples mensajeros», ha dicho a ABC Barry Barish, reciente premio Nobel de Física por el descubrimiento de las ondas gravitacionales, para referirse a una nueva disciplina en la que se observarán con ondas electromagnéticas objetos cuyas ondas gravitacionales se «escuchan».

«Gracias a esto se han hecho muchos diferentes descubrimientos, como establecer el origen de los estallidos de rayos gamma (GRBs, en inglés), nuevas e independientes medidas de la constante de Hubble o estudiar las estrellas de neutrones con solo los datos de las ondas gravitacionales».

«Este avance es de extrema importancia», explicó a ABC David Shoemaker, portavoz de la colaboración científica de LIGO, el Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales que está situado en Estados Unidos, con cuyos dos detectores se captaron estas señales del espacio-tiempo por primera vez.

«El hecho de tener un nuevo mensajero para llevar información cambia mucho lo que podemos conseguir. Es mucho más que tener muchos telescopios, ahora tenemos otro tipo de información».

En opinión de Alicia Sintes, profesora del grupo de Relatividad y Gravitación de la Universidad de las Islas Baleares (UIB) y miembro de la colaboración de LIGO que ha participado en estas investigaciones, este es un «hito histórico que marca el comienzo de la astrofísica de múltiples mensajeros».

Y añadió: «Este va a ser uno de los eventos más estudiados de la Astrofísica, no hay precedentes. Habrá montones de artículos, y uno de ellos reunirá a 3.500 autores».

Aunque muy por detrás de lo que es habitual en los grandes descubrimientos en física de partículas, en los que participa por ejemplo el gran acelerador de partículas (LHC), en esta ocasión las ondas gravitacionales han reunido a físicos y astrónomos de todo el planeta en torno a un mismo fenómeno de la naturaleza. Es sin duda un triunfo del trabajo en equipo.

La historia de este relevante hallazgo se remonta al 17 de agosto de este año.

Pasaban cuatro segundos de las 14.41 (hora española) cuando los dos instrumentos detectores que componen el LIGO, y que están situados en Livingston (Luisiana) y Hanford (Washington), captaron una posible señal de ondas gravitacionales procedentes de la galaxia GW170817, a 130 millones de años luz de la Tierra.

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Dos segundos después de la detección de la señal de ondas gravitacionales, el telescopio espacial Fermi captó un estallido de rayos gamma.

Los sistemas automáticos consideraron que se estaba ante algo potencialmente interesante y lanzaron una alerta para observatorios a lo largo y ancho del planeta.

Las ondas gravitacionales permitieron estimar la distancia de la fuente, su masa aproximada y acotar la zona en la que podía estar.

A diferencia de lo observado hasta ahora en agujeros negros, donde las ondas apenas duraban un par de segundos, en esta ocasión la onda duró 100 segundos, era más sutil y parecía provenir de una masa similar a 1.1 o 1.6 soles, muy por debajo del tamaño de los agujeros negros detectados antes.

«Inmediatamente nos pareció que la fuente podía tratarse de estrellas de neutrones», dijo Shoemaker.

Durante este evento de fusión, las estrellas de neutrones se desgarran. Son objetos extremadamente densos (casi tanto como pueden ser antes de que la materia no soporte la presión y acabe desmoronándose para generar un agujero negro).

Se puede decir, sin exagerar, que las estrellas de neutrones son núcleos atómicos inmensos, prácticamente compuestos solo por neutrones.

En esta ocasión, las estrellas tenían un diámetro de cerca de 20 kilómetros y una masa equivalente a 1,1 o 1,6 soles. Esto implica que una cucharilla de té con material de una de las estrellas pesaría mil millones de toneladas.

Gracias a las coordenadas dadas por LIGO y Virgo, una gran cantidad de observatorios comenzaron a buscar un punto luminoso en torno a 50 posibles galaxias, como si se tratara de una búsqueda de una aguja en un pajar de magnitudes cósmicas.

Los científicos están sorprendidos por la suerte que han tenido. Esperaban observar este fenómeno a lo largo de esta década, pero no tan pronto y con esta claridad.

Gracias a que han estado preparados, han podido ver con nitidez como la fusión de estrella de neutrones desnudaba poco a poco sus secretos.

En primer lugar, la fusión emitió un estallido de rayos gamma, lo que ha permitido hacer cálculos para confirmar las predicciones de la Relatividad y confirmar que este evento es origen de los estallidos de rayos gamma (GRBs) de corta duración.

Con el paso de las horas, las semanas e incluso los meses, el evento de fusión siguió emitiendo otras formas de radiación electromagnética que transportaban información sobre distintos aspectos del fenómeno.

Primero llegaron los rayos X, luego los ultravioleta, luego la luz visible, luego el infrarrojo y, por último, las ondas de radio.

Todo este viaje por el espectro electromagnético ha sido un «regalo» increíble para los científicos.

Gracias a esto, se ha podido observar las consecuencias predichas antes que tiene una «kilonova», un evento nunca antes observado con claridad.

En concreto, se han visto las consecuencias de la expulsión del material de las estrellas a enormes velocidades y la consecuente liberación de radiación electromagnética.

También se ha observado en funcionamiento del «proceso-r», un fenómeno que provoca la fusión de átomos y genera elementos químicos más pesados que el hierro.

De hecho, los científicos han captado allí platino y oro, y así han podido aportar nuevos conocimientos para explicar cómo surgen los elementos pesados en el Universo, cuyo origen también está relacionado con las supernovas.

Esta gran observación de múltiples mensajeros, ondas electromagnéticas y ondas gravitacionales, también ha permitido aprender mucho sobre el funcionamiento de las estrellas de neutrones.

Además, se han hecho medidas interesantes para comprender con qué velocidad se expande el Universo: de hecho, por primera vez se han hecho cálculos independientes, sin telescopios, de qué valor tiene la constante de Hubble, ese parámetro que mide la tasa de expansión del cosmos.

Si los resultados presentados son alucinantes, el futuro es aún más prometedor. Tal como explicó a ABC Stuart Saphiro, miembro de LIGO en la universidad de Illinois y experto en la física de estrellas de neutrones, los avances anunciados este lunes son «el santo Grial de la Astrofísica de múltiples mensajeros».

Pero, con el tiempo, Saphiro predijo que llegarán muchas cosas más: «se podrán observar la fusión de agujeros negros supermasivos, más fusiones de estrellas de neutrones y la unión de enanas blancas». Todo esto, añadió, «está estrechamente vinculado con la estructura y la evolución de las galaxias y toda la cosmología».

Tal como recordó Shoemaker, todo esto podría resolver algunas grandes preguntas relacionadas con la materia y la energía oscuras.

En cuestión de décadas, quizás la sensibilidad y los nuevos observatorios podrán incluso captar las ondas gravitacionales de fondo dejadas por el nacimiento del Big Bang.

Esto, de momento, es ciencia ficción. Pero mucho más cerca del Big Bang, en el tiempo y en el espacio, las ondas gravitacionales han comenzado una nueva era.

Aliadas con las ondas electromagnéticas y gracias al esfuerzo colaborativo de astrónomos de todo el mundo, la ciencia acaba de dar un salto histórico para desvelar los secretos del Universo.

Fuentes: ABC, Hipertextual, Xataca, Noticias de la Ciencia, Gizmodo