Ciencia en el mundo

Descubrimiento histórico de ondas gravitacionales con luz

Fusión de dos estrellas de neutrones abre nueva ventana al universo

Sinc

En agosto de 2017, los detectores LIGO-Virgo registraron unas ondas gravitacionales muy diferentes a las que los científicos estaban acostumbrados: iban acompañadas por luz. Apoyados por más de setenta observatorios terrestres y espaciales, los investigadores acaban de revelar que las señales procedían de la fusión de dos estrellas de neutrones, la primera detectada en la historia.

Esta imagen de una visualización animada muestra la fusión de dos estrellas de neutrones en órbita. A la derecha, una visualización de la materia de las estrellas de neutrones. A la izquierda se muestra cómo se distorsiona el espacio-tiempo cerca de las colisiones. / Karan Jani, Georgia Tech.

Como si de una operación militar se tratase, un ejército formado por más de 3.500 científicos de todo el mundo, apoyados por tierra y aire por decenas de telescopios, ha cumplido con una misión: averiguar de dónde procedían las extrañas ondas gravitacionales registradas el pasado 17 de agosto por los dos detectores LIGO, en EE UU.

La respuesta ha sido espectacular: son fruto del choque entre dos estrellas de neutrones, las más pequeñas y densas conocidas. Es la primera vez en la historia que se detecta este fenómeno.

“Tenemos la sensación de que estamos abriendo una nueva era de descubrimientos del universo”, ha asegurado el español Xavier Barcons, director general del Observatorio Europeo Austral (ESO), en teleconferencia desde Chile durante el anuncio de este hito en la sede central en Garching, (Alemania).

Las ondas gravitacionales –perturbaciones en el espacio-tiempo predichas por Einstein– ya se habían detectado antes en cuatro fusiones de agujeros negros. Pero nada más ver la nueva señal –llamada GW170817–, los científicos se dieron cuenta de que respondía a un evento muy distinto: una emisión de radiación electromagnética la acompañaba. No podía tratarse de otra colisión de agujeros negros, que no emiten luz. El origen de esta nueva onda era un misterio.

Tras semanas de duro trabajo y en medio de un secretismo digno de una agencia de espionaje, la operación científica ha dado sus frutos. El cataclismo de las estrellas de neutrones se asoció a una espectacular erupción de rayos gamma en una galaxia situada a 130 millones de años luz, llamada NGC 4993.

“Esta observación representa el nacimiento de un nuevo y poderoso campo que llamamos astronomía multimensajero”, declara a Sinc por email Barry C. Barish, pionero en la caza de estas ondas y uno de los tres premios Nobel de Física en 2017. Como explica a este medio Rainer Weiss, otro de los laureados, “el hallazgo de la fusión de estrellas de neutrones mediante ondas gravitacionales, junto con la medida de la radiación gamma con el satélite Fermi, unidos a las observaciones con telescopios electromagnéticos, forman un bello ejemplo de la ciencia que podemos hacer con esta astronomía multimensajero”.

Uno de los muchos científicos españoles que ha participado en el descubrimiento, José Antonio Font, lo califica como “histórico”. Las intensas jornadas de trabajo estos dos meses le han impedido tomarse un solo día libre. “He tenido que dejar mi vida aparcada un poco, pero merece la pena”, bromea a Sinc el investigador principal del Grupo Virgo de la Universidad de Valencia.

Desde el Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA (EEUU), Eleonora Troja no esperaba detectar algo así tan pronto –la colaboración científica LIGO lleva funcionando apenas dos años desde su última renovación–. “Ni en mis mejores sueños pensé que íbamos a obtener estos resultados en el primer intento”, reconoce a Sinc.

Muy diferente a los agujeros negros

Los datos registrados por LIGO revelaban que los objetos que han generado esta nueva señal no eran tan grandes como los agujeros y su masa oscilaba entre 1,1 y 1,6 veces la del Sol, medidas que concordaban con las de las estrellas de neutrones. Estos objetos, que se forman con la explosión de supernovas, tienen unos 20 kilómetros de diámetro. Además, la señal duró más tiempo que la registrada en eventos anteriores (unos 100 segundos).

“Es la señal más fuerte que se ha detectado de ondas gravitacionales hasta ahora”, resalta Sascha Husa, miembro del Grupo de Relatividad y Gravitación de la Universitat de les Illes Ballears que forma parte de LIGO.

Desde Italia, la colaboración científica Virgo cogió el testigo de LIGO y precisó más la posición de la colisión con su otro detector: la señal procedía de una región relativamente pequeña del cielo del hemisferio sur.

“Casualmente, esta señal estaba en uno de los puntos casi ciegos de Virgo y por eso no lo pudo visualizar tan claramente, aunque eso ayudó de manera indirecta a la localización, puesto que indicaba que estaba justo en ese punto ciego”, comenta Font, que también dirige el departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Valencia.

Captado desde el aire

En paralelo, el telescopio espacial de rayos gamma Fermi, que lleva casi diez años orbitando la Tierra en busca de fenómenos astrofísicos como este, advirtió la presencia de rayos gamma, llegados dos segundos después de la detección de las ondas gravitacionales.

Con los datos de LIGO y Virgo, el telescopio precisó aún más la ubicación de la colisión y, acto seguido, todo el mundo se puso manos a la obra para localizar la señal. En total, setenta observatorios terrestres y espaciales fueron capaces de observar el evento en sus diferentes longitudes de onda, un nuevo punto de luz similar al de una estrella. La NASA, la Agencia Espacial Europea y el Observatorio Europeo Austral son tres de los organismos que han participado en el descubrimiento.

“Con el instrumento DECam del telescopio Víctor Blanco de Chile descubrimos una contraparte óptica y también hubo una explosión de rayos gamma. Toda esta luz indica con mucha seguridad que deben ser estrellas de neutrones y no agujeros negros”, apunta a Sinc Daniel Holz, investigador del departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Chicago (EEUU).

Como en las detecciones anteriores, la confidencialidad y la coordinación entre los equipos de tantos países ha sido fundamental, algo que no es fácil; LIGO lo forman unas 1.200 personas, a las que se suman otras 1.300 de diferentes instituciones que han colaborado en el hallazgo.

“Es el espíritu de la colaboración. Todo el mundo suma, se siente partícipe de algo, algo grande que marca la historia”, indica Alicia M. Sintes, investigadora principal de la colaboración LIGO en la Universitat de les Illes Balears.

Lo más luminoso tras el Big Bang

Las observaciones revelaron que las ondas gravitacionales fueron producidas por dos estrellas de neutrones en órbita espiral. Las estrellas de masa media que mueren como supernovas originan este tipo de objetos tremendamente densos. Solo una cucharadita de su material equivale a una masa de unos mil millones de toneladas.

“Las estrellas que son más pequeñas se convierten en enanas blancas y las más pesadas, en agujeros negros”, explica Christoph Adami, profesor de Física y Astronomía de la Universidad Estatal de Michigan (EEUU).

Hace unos 130 millones de años, ambas estrellas se encontraban en sus últimas órbitas espirales, separadas unos 300 kilómetros. A medida que giraban más rápido y se iban acercando más, se deformaron y distorsionaron el espacio-tiempo de alrededor, emitiendo energía en forma de ondas gravitacionales antes de chocar entre sí.

“Eso da lugar a los fuegos artificiales más espectaculares que te puedas imaginar”, describe Gonzalo J. Olmo, investigador del Instituto de Física Corpuscular y del departamento de Física Teórica de la Universidad de Valencia.

En el momento de la colisión, la mayor parte de las dos estrellas de neutrones se fusionaron en un objeto muy denso y a la vez emitieron una especie de bola de fuego de rayos gamma. “Después del Big Bang, no hay nada tan luminoso como estas erupciones”, detalla Font.

Por primera vez, los investigadores han detectado una kilonova, el proceso en el que el material que queda tras la colisión es expulsado hacia afuera. Las observaciones ópticas muestran que elementos pesados como el plomo y el oro se crean en estas colisiones y se distribuyen por todo el universo.

“La detección de la emisión de kilonova abre una vía para comprender el enriquecimiento químico cósmico fruto de los elementos pesados y también para conocer las fases finales de la evolución estelar”, subraya Elena Pian, investigadora del Instituto Nacional de Astrofísica de Bolonia (Italia), que ha participado en el hallazgo.

La era de los multimensajeros

La detección simultánea de las diferentes señales que nos han llegado de la colisión, tanto las ondas gravitacionales como las electromagnéticas –lo que los físicos llaman mensajeros–, inaugura una nueva era en la astrofísica. Así lo expresa Stefano Covino, que también ha colaborado en el descubrimiento. “Se abre un abanico nuevo de posibilidades para que los investigadores de hoy estudien el universo”, sostiene este investigador del Instituto Nacional de Astrofísica de Merate (Italia).

Los únicos mensajeros que no se han conseguido detectar han sido los escurridizos neutrinos, que se cree que podrían formarse en fusiones de este tipo. Sin embargo, los diferentes aparatos que los buscan desde la Tierra no han encontrado ninguna señal asociada a la colisión registrada hace dos meses.

“Los detectores de neutrinos no son como telescopios que puedes apuntar en una determinada dirección”, matiza Roberto Emparan, investigador del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona y profesor de investigación ICREA.

Lo que sí han podido registrar es la constante de Hubble, una medida sobre la velocidad a la que se expande el universo muy útil para la cosmología. Este y otros hallazgos se publicarán desde hoy en Nature, Physical Review Letters y en una larga lista de publicaciones. “Probablemente se va a convertir en el evento astronómico que más estudios tenga en la historia de la astrofísica”, pronostica Font. “Nos va a dar trabajo muchísimos años”, añade.

Tanta información con una sola colisión ha sido una sorpresa para los miles de investigadores que participan en el proyecto. Con un único evento han sido capaces de contrastar teorías que otras generaciones de astrofísicos formularon cuando ellos eran niños.

“El sueño de cualquier científico es resolver al menos un gran misterio en el transcurso de su carrera, ¡pero imagina solucionar tres o cuatro en un par de semanas! Nadie podría haberlo esperado”, exclama Troja.

VÍDEO: Animación que muestra la fusión de dos estrellas de neutrones y las ondas gravitacionales que producen. SINC / NASA

"Esta observación representa el nacimiento de un nuevo y poderoso campo que llamamos astronomía multimensajero”, declara a Sinc Barry C. Barish, pionero en la caza de estas ondas y uno de los tres premios Nobel de Física en 2017. (Foto G.I.)