El brillo de las ondas gravitacionales creadas al chocar dos estrellas de neutrones, las kilonovas y el origen del oro de la Tierra.
¿Qué sucede cuándo dos estrellas de neutrones chocan? Desde que en 2016 se abrió esa nueva ventana al Universo que son las ondas gravitacionales los científicos estaban con la mosca detrás de la oreja. Los cuatro sucesos en los que se han detectado ondas gravitacionales hasta la fecha se originaron por la unión de dos agujeros negros. ¿Y por qué esto es extraño? Pues porque los modelos teóricos predecían que los choques entre pares de estrellas de neutrones debían ser muy frecuentes. ¿Dónde estaban las estrellas de neutrones?¿Acaso había algo en los procesos de formación estelar que no entendíamos correctamente? Afortunadamente la incógnita se resolvió el 17 de agosto de 2017 a las 12:41:04 UTC. Ese día los dos interferómetros estadounidenses de Advanced LIGO y el interferómetro europeo Advanced Virgo detectaron la señal GW180817, la quinta en la corta historia de las ondas gravitacionales. El análisis de la señal demuestra que los dos objetos que la crearon tenían una masa comprendida entre 1,17 y 1,60 veces la masa del Sol respectivamente. O sea, justo en el rango de las masas esperadas para un par de estrellas de neutrones (las estrellas de neutrones más masivas alcanzan las 2,1 masas solares).
Impresión artística de las ondas gravitacionales generadas por dos estrellas de neutrones.
El descubrimiento sería toda una novedad por sí mismo, pero había más. Apenas 1,7 segundos después de la detección de ondas gravitacionales por los interferómetros el observatorio espacial Fermi de la NASA pudo ver una explosión de rayos gamma (GRB) que sería catalogada como GRB 170817A y que concordaba con la región del cielo donde se produjo el choque de estrellas de neutrones de acuerdo con la escasa resolución de LIGO y Virgo. Aunque la asociación entre los dos sucesos no fue inmediata, pronto se siguió la pista de la posible relación y se descubrieron más contrapartidas en todo el espectro electromagnético. Literalmente, porque hablamos de observaciones usando decenas de telescopios situados en tierra y en el espacio a cargo de más de setenta equipos de investigadores de todo el mundo que han visto la explosión desde, como ya hemos mencionado, los rayos gamma, hasta las ondas de radio. Por fin se había hecho realidad el sueño de encontrar una contrapartida óptica a una señal de ondas gravitacionales.
La posición en el cielo de la explosión de rayos gamma asociada al choque de las dos estrellas de neutrones.
La contrapartida óptica vista por el telescopio espacial Hubble.
Detalle de la contrapartida óptica vista por el Hubble.
La contrapartida en rayos X vista por el telescopio espacial Chandra.
Según estas observaciones el fenómeno se originó en la galaxia elíptica NGC 4993, situada a una distancia de 130 millones de años luz en la constelación de Hidra. Una cifra enorme, aunque significativamente menor a la estimada para los otros sucesos de ondas gravitacionales causados por la unión de dos agujeros negros. Y es normal, porque este suceso, aunque liberó una energía brutal, no fue tan energético como la fusión de dos agujeros negros. Sea como sea, GW180817 es por el momento la señal de ondas gravitacionales más cercana descubierta y, de paso, también es el estallido de rayos gamma más cercano a nosotros de entre todos los que hemos sido capaces de medir su distancia.
El Telescopio Ultravioleta/Óptico Swift captó a la kilonova producida por la fusión de dos estrellas de neutrones en la galaxia NGC 4993 (recuadro) el 18 de agosto del 2017, unas 15 horas después que las ondas gravitacionales y el estallido de rayos gamma fueran detectados. La fuente fue inesperadamente brillante en la luz ultravioleta. Pero se apagó rápidamente y fue indetectable cuando Swift volvió a observar el 29 de agosto. Esta composición en falso color combina imágenes tomadas a través de tres filtros ultravioleta.
En cierto modo este descubrimiento cierra el ciclo iniciado hace más de cuatro décadas con el análisis del sistema binario PSR B1913+16, también conocido como sistema de Hulse-Taylor. Formado por dos estrellas de neutrones, la comprobación de que las órbitas de estos dos astros seguía un patrón en espiral permitió demostrar de manera indirecta —y muy elegante— la existencia de ondas gravitacionales. Ahora no solo disponemos de la prueba directa, sino que además hemos visto su huella en todas las longitudes de onda.
Las tenues olas en el espacio-tiempo generadas por el cataclismo y captadas por 3 de las instalaciones de LIGO. Aunque el momento mismo del choque no se pudo registrar, sí pudieron registrarse los momentos previos, los 90 segundos anteriores, cuando ambas estrellas de neutrones ya giraban una alrededor de la otra de forma frenética. Gracias a ellas se pudo establecer con precisión las masas implicadas, algo que habría sido mucho más dificil y poco preciso mediante observaciones "tradicionales".
Esto ha sido posible gracias a que, a diferencia de la ‘oscura’ unión de dos agujeros negros, el choque de las dos estrellas creó una explosión brutal similar a una supernova. Las ondas gravitacionales detectadas por los interferómetros se produjeron durante los noventa últimos segundos de la vida de las dos estrellas mientras danzaban en espiral la una alrededor de la otra a una distancia cada vez más corta (estos noventa segundos también hacen de GW180817 la señal de ondas gravitacionales más larga jamás detectada). Lo curioso es que no estamos seguros de qué se formó después del choque de estas estrellas de neutrones. La señal de ondas gravitacionales del momento mismo de la unión no pudo ser detectada por LIGO y Virgo al quedar fuera del rango de frecuencias observables. Dependiendo de la masa y energía liberadas por la colisión el resultado pudo ser una estrella de neutrones muy masiva o un agujero negro ligero.
La contrapartida pudo verse en todas las longitudes de onda gracias a más de 70 telescopios terrestres y espaciales.
Este tipo de sucesos se diferencia sustancialmente de una supernova tradicional y recibe el nombre de kilonova, al ser menos luminosa que una supernova. La teoría más aceptada, y de la que ahora ya parece que tenemos una prueba, nos dice que las kilonovas causan explosiones de rayos gamma donde la mayor parte de la energía está focalizada en dos chorros. Teniendo en cuenta la distancia a la señal y la —baja— intensidad de la explosión de rayos gamma GRB 170817A los investigadores han concluido que los chorros no apuntaban a la Tierra (que es obviamente lo más probable), aunque en ese caso no se entiende por qué hemos podido ver la señal en todo el rango del espectro (es necesario tener en cuenta que las explosiones de rayos gamma emiten su energía de forma muy concentrada).
La kilonova asociada a GW170817 (recuadro) fue observada por el Hubble y por Chandra. Hubble detectó la luz óptica y la emisión infrarroja de los restos calientes expandiéndose. Las estrellas de neutrones que se estaban fusionando produjeron ondas gravitacionales y lanzaron chorros que produjeron un estallido de rayos gamma. Nueve días después, Chandra detectó el arrebol de rayos x emitidos por el chorro apuntado a la Tierra que fue esparcido en nuestra línea de visión.
Podría ser que la luz se haya reflejado en una cubierta de material que envolvía el sistema, pero también cabe la posibilidad de que la explosión de rayos gamma no tenga nada que ver con la fusión de las dos estrellas y estemos ante una gran casualidad —¿broma?— cósmica. En cualquier caso se cree que la mayoría de los elementos más pesados que el hierro se ha originado en kilonovas como esta merced al ‘proceso r‘ de nucleosíntesis. O, dicho de forma más directa, más de la mitad del oro de la Tierra podría proceder de choques de estrellas de neutrones. De hecho, el suceso GW180817 bien pudo crear una cantidad de oro equivalente a unas cuantas masas terrestres. Y de paso, el suceso ha permitido estimar el valor de la constante de Hubble en 70 km/(s.Mpc), un valor que, al igual que otras observaciones astrofísicas, se desvía del calculado por el observatorio europeo Planck, de 67 km/(s.Mpc), usando el fondo cósmico de microondas.
El 17 de agosto del 2017 el Observatorio Interferómetro Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO) detecto estas ondas de una colisión de estrellas de neutrones. Dentro de las 12 horas siguientes, muchos observatorios identificaron la fuente del evento dentro de la galaxia NGC 4993, mostrada en esta imgen del Hubble, y localizaron la llamarada estelar llamada kilonova (recuadro central). El Hubble observo el desvanecimiento de la kilonova en el curso de seis días (recuadro superior).
GW180817 abre una nueva era en la astrofísica al combinar observaciones en el rango electromagnético con ondas gravitacionales, dos ventanas al Universo completamente independientes. El estudio de sucesos similares permitirá arrojar luz no sólo sobre la relatividad general de Einstein, sino también sobre procesos de evolución estelar, nucleosíntesis y la ecuación de estado de la materia en el interior de las estrellas de neutrones. Sin duda hoy es un día histórico.
La kilonova se volvió roja, posiblemente por el material expulsado, y se desvaneció por un factor de más de 20 en solo unos pocos días.
El origen cósmico de los elementos. Dejando de lado el hidrógeno y algo de helio, generado en el nacimiento mismo del Universo, la mayoría se generaron en el interior de los núcleos de las estrellas, hasta el hierro. Más allá entran en acción las supernovas, que generan reacciones de nucleosíntesis complejas, y colisiones entre diferentes cuerpos. Uno de los más teorizados era entre estrellas de Neutrones, que muchos defendían como el origen de elementos como el oro, el plomo o el uranio, entre otros. Ahora llega la confirmación.
Estrellas de Neutrones, una masa superior a la del Sol concertada en un cuerpo de unos pocos kilómetros de diámetro.
Un día escrito en letras de oro.
Un vistazo a GW170817.
Letra chica: aunque comentar es lo que se prefiere, los comentarios que desvirtúen serán borrados.