¡Cuando las estrellas muertas chocan!

La gravedad ha estado causando sensación, literalmente. En octubre de 2017 se concedió el Premio Nobel de Física por la primera detección directa de ondas gravitacionales dos años antes. También en ese mes, los astrónomos anunciaron un enorme avance en el campo de las ondas gravitacionales : por primera vez observaron luz y ondas gravitacionales provenientes de la misma fuente. Veamos lo que pasó.

En esta ilustración, las estrellas de neutrones condenadas giran hacia su desaparición. Las ondas gravitacionales (arcos pálidos) eliminan la energía orbital, lo que hace que las estrellas se acerquen y se fusionen. Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA/Laboratorio de imágenes conceptuales

Había un par de estrellas de neutrones en órbita en una galaxia (llamada NGC 4993). Las estrellas de neutrones son los núcleos sobrantes aplastados de estrellas masivas (estrellas con más de 8 veces la masa de nuestro Sol) que hace mucho tiempo explotaron como supernovas. Hay muchos pares de binarias de este tipo en esta galaxia, y en todas las galaxias que podemos ver, pero algo especial estaba a punto de sucederle a este par en particular.

En esta ilustración, dos estrellas de neutrones están a punto de chocar. Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

Cada vez que estas estrellas de neutrones orbitaran, perderían una pizca de energía gravitacional debido a las ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales son perturbaciones en el espacio-tiempo (la estructura misma del universo) que viajan a la velocidad de la luz. Las ondas son emitidas por cualquier masa que cambie de velocidad o dirección, como este par de estrellas de neutrones en órbita. Sin embargo, las ondas gravitacionales son muy débiles a menos que las estrellas de neutrones estén muy cerca y orbiten una alrededor de la otra a gran velocidad.

Una animación de la propagación de ondas gravitacionales. Créditos: R. Hurt/Caltech/JPL

La pequeña pérdida de energía hizo que las dos estrellas de neutrones se acercaran un poquito más entre sí y orbitaran un poquito más rápido. Después de cientos de millones de años, todos esos pequeños fragmentos se sumaron y las estrellas de neutrones estaban muy cerca. Tan cerca que… ¡BOOM! ... chocaron. Y lo presenciamos en la Tierra el 17 de agosto de 2017.

Ilustración de dos estrellas de neutrones fusionándose. La ondulante red espacio-temporal representa ondas gravitacionales que salen de la colisión. Los haces estrechos muestran el estallido de rayos gamma que se disparan segundos después de las ondas gravitacionales. Las nubes de material arremolinadas son expulsadas de las estrellas que se fusionan. Fundación Nacional de Ciencias/LIGO/A. Simonnet (Univ. Estatal de Sonoma)

En esa colisión sucedieron un par de cosas muy interesantes, y esperamos que sucedan en todas las colisiones de este tipo entre estrellas de neutrones. Justo antes de que las estrellas de neutrones colisionaran, las ondas gravitacionales eran lo suficientemente fuertes y tenían la frecuencia adecuada para que el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) de la Fundación Nacional de Ciencias y el Observatorio Gravitacional Europeo Virgo pudieran detectarlas. Justo después de la colisión, esas ondas se desvanecieron rápidamente porque ¡ya no hay dos cosas orbitando una alrededor de la otra!

Esta animación captura los fenómenos observados en el transcurso de nueve días después de la fusión de estrellas de neutrones conocida como GW170817, detectada el 17 de agosto de 2017. Incluyen ondas gravitacionales (arcos pálidos), un chorro cercano a la velocidad de la luz que produjo rayos gamma (magenta ), restos en expansión de una kilonova que produjeron emisiones ultravioleta (violeta), óptica e infrarroja (azul-blanco a rojo) y, una vez que el chorro dirigido hacia nosotros se expandió a nuestra vista desde la Tierra, rayos X (azul). Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA/Laboratorio de imágenes conceptuales

LIGO y Virgo son detectores terrestres que esperan que las ondas gravitacionales pasen por sus instalaciones en la Tierra. Cuando está activo, puede detectarlos desde casi cualquier lugar del espacio.

Lo otro que ocurrió fue lo que llamamos un estallido de rayos gamma. Cuando se acercan mucho, las estrellas de neutrones se rompen y crean una explosión espectacular, pero breve. Durante un par de segundos, nuestro satélite Fermi vio rayos gamma de esa explosión. El Monitor de Explosiones de Rayos Gamma de Fermi es uno de nuestros ojos en el cielo, atento a las explosiones de rayos gamma que los científicos quieren captar tan pronto como ocurren.

Esta ilustración muestra una instantánea de un estallido de rayos gamma provocado por la fusión de dos estrellas de neutrones. Potentes chorros (naranja) emergen y se estrellan contra el entorno, provocando ondas de choque (rosa). En el centro recién emerge la kilonova, los restos ricos en neutrones de la explosión (azul) impulsados ​​por la desintegración de elementos radiactivos recién forjados. Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA/Laboratorio de imágenes conceptuales

Y esos rayos gamma llegaron sólo 1,7 segundos después de la señal de la onda gravitacional. La galaxia en la que ocurrió esto está a 130 millones de años luz de distancia, por lo que la luz y las ondas gravitacionales viajaron durante 130 millones de años antes de que las detectáramos.

Después de ese estallido inicial de rayos gamma, los restos de la explosión continuaron brillando y desapareciendo a medida que se expandían hacia afuera. Nuestros telescopios Swift , Hubble , Chandra y Spitzer, junto con varios observatorios terrestres, estaban preparados para observar este resplandor de la explosión en luz ultravioleta, óptica, de rayos X e infrarroja. Esta coordinación entre satélites es algo que hemos estado haciendo con nuestros socios internacionales durante décadas, por lo que captamos eventos como este lo más rápido posible y en tantas longitudes de onda como sea posible.

El Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA tomó imágenes de la kilonova producida por la fusión de estrellas de neutrones en la galaxia NGC 4993 (recuadro) el 18 de agosto de 2017, aproximadamente 15 horas después de que se detectaran las ondas gravitacionales y el estallido de rayos gamma. Recuadro: Vistas ampliadas de la galaxia. Crédito: NASA/swift

Los astrónomos pensaban que las fusiones de estrellas de neutrones eran la causa de un tipo de estallido de rayos gamma: un breve estallido de rayos gamma, como el que observaron el 17 de agosto. No fue hasta que pudimos combinar los datos de nuestros satélites con los información de LIGO/Virgo que podríamos confirmar esto directamente.

Ese evento inició un nuevo capítulo en la astronomía. Durante siglos, la luz fue la única forma de aprender sobre nuestro universo. Ahora hemos abierto una ventana completamente nueva al estudio de las estrellas de neutrones y los agujeros negros. Esto significa que podemos ver cosas que antes no podíamos detectar.

La kilonova asociada con GW170817 (recuadro) fue observada por el Telescopio Espacial Hubble de la NASA y el Observatorio de Rayos X Chandra. El Hubble detectó luz óptica e infrarroja de los escombros calientes en expansión. Nueve días después, Chandra detectó el resplandor de rayos X emitido por el chorro dirigido hacia la Tierra después de que se había extendido hacia nuestra línea de visión. NASA/CXC/E. troya

La primera detección de LIGO fue la de un par de agujeros negros fusionándose. Fusiones como ésta pueden ocurrir hasta una vez al mes en todo el universo, pero no producen mucha luz porque queda poco o nada alrededor del agujero negro para emitir luz. En ese caso, las ondas gravitacionales eran la única forma de detectar la fusión.

Sin embargo, la fusión de estrellas de neutrones tiene mucho material para emitir luz. Combinando diferentes tipos de luz con ondas gravitacionales, estamos aprendiendo cómo se comporta la materia en los ambientes más extremos. Estamos aprendiendo más sobre cómo la información de las ondas gravitacionales encaja con lo que ya sabemos de la luz, ¡y en el proceso estamos resolviendo algunos misterios de larga data!

Publicado en NASA, enlace artículo.