El hito científico de 2017 de la revista Science fue el choque entre dos estrellas de neutrones, que gracias a la gran cantidad de instrumentos de observación espacial tanto en órbita como en la tierra con la que contamos actualmente, se pudo estudiar con un nivel de detalle sin precedentes. El evento, además, confirma nuevamente la existencia de las ondas gravitacionales, capaces de deformar la estructura física del universo, como se pudo comprobar a través de los interferómetros LIGO y Virgo.
Traducción: Miguel Ángel Ríos, para ScienTech LSP.
Artículo original: "Cosmic Convergence". 2017 Breakthrough of the Year, revista Science.
Artículo original: "Cosmic Convergence". 2017 Breakthrough of the Year, revista Science.
El 17 de agosto de 2017, científicos de todo el mundo atestiguaron algo nunca antes visto:
A ciento treinta millones de años luz, dos estrellas de neutrones giraron en espiral una contra la otra en una espectacular explosión que pudo estudiarse en observatorios con instrumentos para detectar desde rayos gama hasta ondas de radio. El evento confirmó varios modelos astrofísicos, reveló el origen de muchos elementos pesados y probó la teoría de la relatividad como nunca antes. Esta primera observación de la fusión de dos estrellas de neutrones y el botín científico que reveló constituyen el Avance del Año de 2017 para la revista Science.
Algo especialmente notable es la manera en que se identificó el evento: por la detección de ondas infinitesimales en el espacio, llamadas ondas gravitacionales, irradiadas por las estrellas de neutrones antes de su fusión. Estas ondas se detectaron por primera vez hace solamente 27 meses, cuando el Observatorio de ondas gravitatorias por interferometría láser (LIGO) detectó un temblor en el espacio emitido por dos agujeros negros masivos girando juntos en espiral hacia un cataclismo invisible. El descubrimiento de las ondas gravitacionales fue el Avance del Año de 2016 en Science.
Pero si esa observación fue el clarín del descubrimiento, la de este año produjo una sinfonía científica. Las diferencias llegan hasta la materia misma. Un agujero negro, el fantasmal campo gravitacional que queda cuando una estrella gigante colapsa hasta cierto punto, no contiene materia para calentar e irradiar. Una estrella de neutrones, por otro lado, es justamente una esfera hecha de neutrones, la cosa más densa que hay. La colisión de agujeros negros emitió solamente energía gravitacional, pero el choque entre las estrellas de neutrones fue un espectáculo de luces que pudo observarse en más de 70 observatorios. “Para mí es impresionante la cantidad de información que hemos podido obtener de un solo evento”, comenta Laura Cadonati, física del Instituto de Tecnología de Georgia en Atlanta y vocera adjunta del equipo del LIGO.
Las ondas gravitacionales emanadas por el acercamiento de las estrellas de neutrones rasguñaron los detectores del enorme observatorio LIGO, en Hanford, Estado de Washington, y Livingston, Luisiana, pero también los del observatorio francoitaliano Virgo, cerca de Pisa, Italia, que apenas había comenzado a registrar datos luego de una modernización que tomó cinco años. Los investigadores supieron de inmediato que atestiguaban la muerte en espiral de dos estrellas de neutrones. A diferencia de la fusión de agujeros negros, que producen ondas gravitacionales en pulsos de segundos de duración, la fusión de estrellas de neutrones, que tienen menos masa, produjo un característico zumbido de alta frecuencia cuya fuerza y frecuencia se incrementaban a lo largo de 100 segundos.
Ese crescendo anunció los fuegos artificiales. Dos segundos después, el Telescopio Espacial Fermi detectó un pulso de rayos gamma denominado brote de rayos gamma corto. Otros telescopios siguieron apuntando. Los investigadores pudieron triangular la ubicación del par de estrellas de neutrones en el cielo porque las ondas gravitacionales fueron detectadas en tres ubicaciones muy alejadas. En once horas, diferentes equipos de astrónomos habían encontrado señales ópticas e infrarrojas provenientes del borde de la galaxia NGC 4993. A lo largo de varios días, la fuente se desvaneció desde un azul brillante a un rojo más tenue. Luego de once días, comenzó a emitir rayos x y ondas de radio.
La explosión es cómodamente el evento más estudiado en la historia de la astronomía: más de 3600 investigadores de 953 instituciones colaboraron en un paper que resume la fusión y sus secuelas.
Las observaciones apuntalaron una hipótesis formulada hace 25 años sobre la emisión de brotes de rayos gamma cortos durante la fusión de estrellas de neutrones. Además, la luminiscencia roja se ajusta al modelo de la llamada kilonova, en el cual la materia rica en neutrones expelida hacia el espacio tras el choque de las estrellas de neutrones alberga una cadena de interacciones nucleares conocida como proceso R. Se cree que el proceso crea la mitad de los elementos más pesados que el hierro; los más pesados absorberían luz azul, lo cual teñiría la nube radioactiva de rojo. “Ha sido súper emocionante ver cómo algo que era solo una idea se hizo realidad”, comenta Daniel Kasen, de la Universidad de California en Berkeley, quien formuló el modelo de la kilonova. “Todo esto se hizo básicamente con pura teoría”. La observación también reforzó la teoría de la relatividad general de Albert Einstein porque confirma que las ondas gravitacionales viajan a la misma velocidad que la luz y no a menor velocidad, como habían propuesto otras teorías.
Pero la explosión plantea acertijos que han despertado el apetito de más datos entre los astrofísicos. Por ejemplo, el brote de rayos gamma fue sorpresivamente débil, según comenta Vicky Kalogera, astrofísica y miembro del equipo del LIGO en la Universidad del Noroeste en Evanston, Illinois. Se cree que estos brotes se originan cuando chorros angostos de material, como la luz de un faro, salen disparados de las fusiones entre estrellas de neutrones a velocidades cercanas a las de la luz. La explicación más sencilla es que los chorros no apuntaban directamente hacia la tierra. Sin embargo, es posible que el modelo de los astrofísicos no sea del todo correcto y que las fusiones de estrellas de neutrones produzcan únicamente brotes atenuados de rayos gamma, indica Kalogera.
Para resolver esta cuestión los astrofísicos necesitan estudiar más fusiones.
También desearían analizar las ondas gravitacionales hasta el punto en que las estrellas de neutrones se fusionan. En esta primera observación, los observatorios LIGO y Virgo rastrearon las estrellas girando una alrededor de la otra cada vez más rápido y emitiendo ondas gravitacionales de cada vez mayor frecuencia. Sin embargo, cerca de los 500 ciclos por segundo, la frecuencia de las ondas salió del rango sensible de los detectores del LIGO, por lo que no fue posible observar las últimas pocas revoluciones antes de la fusión.
Esas revoluciones finales podrían aportar detalles sobre la naturaleza de las estrellas de neutrones, orbes de materia nuclear pura ligeramente más masivos que el sol pero de solamente 20 o 30 kilómetros de diámetro. Los astrofísicos desean saber qué tan rígida o blanda es la materia de las estrellas de neutrones, una propiedad que se representa con la llamada ecuación de estado. En teoría, las ondas gravitacionales podrían revelar esa información: Entre más rígida es la materia más grandes son las estrellas de neutrones y más rápidamente se destruyen unas a otras, lo que modifica sus señales. “Si queremos determinar la ecuación de estado necesitamos ver todo el evento”, comenta James Lattimer, astrofísico de la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook. Los investigadores planean incrementar la sensibilidad del LIGO para frecuencias altas (por ejemplo, manipulando la luz láser de los enormes detectores), pero hacerlo tomaría algunos años.
Los científicos esperan también ver nuevos tipos de eventos, tales como la fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro, un evento raro según sugiere la teoría. Se supone que las explosiones de estrellas individuales en forma de supernovas en la Vía Láctea también producen ondas gravitacionales detectables, lo cual podría ayudar a los astrofísicos a descubrir exactamente cómo es que explotan las estrellas. Las estrellas de neutrones giratorias, llamadas pulsares, podrían también emitir una señal constante de ondas gravitacionales. En las próximas décadas, los científicos esperan poner en órbita un detector de ondas gravitacionales que podría hallar ondas de menor frecuencia, tales como las fusiones de agujeros negros en el centro de las galaxias.
Pero sería más interesante encontrar una señal que la astrofísica no haya predicho para nada, señala Roger Blandford, un teórico de la Universidad de Stanford en Palo Alto, California. “Me encantaría ver algo que no se ajuste a las expectativas”.
A ciento treinta millones de años luz, dos estrellas de neutrones giraron en espiral una contra la otra en una espectacular explosión que pudo estudiarse en observatorios con instrumentos para detectar desde rayos gama hasta ondas de radio. El evento confirmó varios modelos astrofísicos, reveló el origen de muchos elementos pesados y probó la teoría de la relatividad como nunca antes. Esta primera observación de la fusión de dos estrellas de neutrones y el botín científico que reveló constituyen el Avance del Año de 2017 para la revista Science.
Algo especialmente notable es la manera en que se identificó el evento: por la detección de ondas infinitesimales en el espacio, llamadas ondas gravitacionales, irradiadas por las estrellas de neutrones antes de su fusión. Estas ondas se detectaron por primera vez hace solamente 27 meses, cuando el Observatorio de ondas gravitatorias por interferometría láser (LIGO) detectó un temblor en el espacio emitido por dos agujeros negros masivos girando juntos en espiral hacia un cataclismo invisible. El descubrimiento de las ondas gravitacionales fue el Avance del Año de 2016 en Science.
Pero si esa observación fue el clarín del descubrimiento, la de este año produjo una sinfonía científica. Las diferencias llegan hasta la materia misma. Un agujero negro, el fantasmal campo gravitacional que queda cuando una estrella gigante colapsa hasta cierto punto, no contiene materia para calentar e irradiar. Una estrella de neutrones, por otro lado, es justamente una esfera hecha de neutrones, la cosa más densa que hay. La colisión de agujeros negros emitió solamente energía gravitacional, pero el choque entre las estrellas de neutrones fue un espectáculo de luces que pudo observarse en más de 70 observatorios. “Para mí es impresionante la cantidad de información que hemos podido obtener de un solo evento”, comenta Laura Cadonati, física del Instituto de Tecnología de Georgia en Atlanta y vocera adjunta del equipo del LIGO.
Las ondas gravitacionales emanadas por el acercamiento de las estrellas de neutrones rasguñaron los detectores del enorme observatorio LIGO, en Hanford, Estado de Washington, y Livingston, Luisiana, pero también los del observatorio francoitaliano Virgo, cerca de Pisa, Italia, que apenas había comenzado a registrar datos luego de una modernización que tomó cinco años. Los investigadores supieron de inmediato que atestiguaban la muerte en espiral de dos estrellas de neutrones. A diferencia de la fusión de agujeros negros, que producen ondas gravitacionales en pulsos de segundos de duración, la fusión de estrellas de neutrones, que tienen menos masa, produjo un característico zumbido de alta frecuencia cuya fuerza y frecuencia se incrementaban a lo largo de 100 segundos.
Ese crescendo anunció los fuegos artificiales. Dos segundos después, el Telescopio Espacial Fermi detectó un pulso de rayos gamma denominado brote de rayos gamma corto. Otros telescopios siguieron apuntando. Los investigadores pudieron triangular la ubicación del par de estrellas de neutrones en el cielo porque las ondas gravitacionales fueron detectadas en tres ubicaciones muy alejadas. En once horas, diferentes equipos de astrónomos habían encontrado señales ópticas e infrarrojas provenientes del borde de la galaxia NGC 4993. A lo largo de varios días, la fuente se desvaneció desde un azul brillante a un rojo más tenue. Luego de once días, comenzó a emitir rayos x y ondas de radio.
La explosión es cómodamente el evento más estudiado en la historia de la astronomía: más de 3600 investigadores de 953 instituciones colaboraron en un paper que resume la fusión y sus secuelas.
Las observaciones apuntalaron una hipótesis formulada hace 25 años sobre la emisión de brotes de rayos gamma cortos durante la fusión de estrellas de neutrones. Además, la luminiscencia roja se ajusta al modelo de la llamada kilonova, en el cual la materia rica en neutrones expelida hacia el espacio tras el choque de las estrellas de neutrones alberga una cadena de interacciones nucleares conocida como proceso R. Se cree que el proceso crea la mitad de los elementos más pesados que el hierro; los más pesados absorberían luz azul, lo cual teñiría la nube radioactiva de rojo. “Ha sido súper emocionante ver cómo algo que era solo una idea se hizo realidad”, comenta Daniel Kasen, de la Universidad de California en Berkeley, quien formuló el modelo de la kilonova. “Todo esto se hizo básicamente con pura teoría”. La observación también reforzó la teoría de la relatividad general de Albert Einstein porque confirma que las ondas gravitacionales viajan a la misma velocidad que la luz y no a menor velocidad, como habían propuesto otras teorías.
Pero la explosión plantea acertijos que han despertado el apetito de más datos entre los astrofísicos. Por ejemplo, el brote de rayos gamma fue sorpresivamente débil, según comenta Vicky Kalogera, astrofísica y miembro del equipo del LIGO en la Universidad del Noroeste en Evanston, Illinois. Se cree que estos brotes se originan cuando chorros angostos de material, como la luz de un faro, salen disparados de las fusiones entre estrellas de neutrones a velocidades cercanas a las de la luz. La explicación más sencilla es que los chorros no apuntaban directamente hacia la tierra. Sin embargo, es posible que el modelo de los astrofísicos no sea del todo correcto y que las fusiones de estrellas de neutrones produzcan únicamente brotes atenuados de rayos gamma, indica Kalogera.
Para resolver esta cuestión los astrofísicos necesitan estudiar más fusiones.
También desearían analizar las ondas gravitacionales hasta el punto en que las estrellas de neutrones se fusionan. En esta primera observación, los observatorios LIGO y Virgo rastrearon las estrellas girando una alrededor de la otra cada vez más rápido y emitiendo ondas gravitacionales de cada vez mayor frecuencia. Sin embargo, cerca de los 500 ciclos por segundo, la frecuencia de las ondas salió del rango sensible de los detectores del LIGO, por lo que no fue posible observar las últimas pocas revoluciones antes de la fusión.
Esas revoluciones finales podrían aportar detalles sobre la naturaleza de las estrellas de neutrones, orbes de materia nuclear pura ligeramente más masivos que el sol pero de solamente 20 o 30 kilómetros de diámetro. Los astrofísicos desean saber qué tan rígida o blanda es la materia de las estrellas de neutrones, una propiedad que se representa con la llamada ecuación de estado. En teoría, las ondas gravitacionales podrían revelar esa información: Entre más rígida es la materia más grandes son las estrellas de neutrones y más rápidamente se destruyen unas a otras, lo que modifica sus señales. “Si queremos determinar la ecuación de estado necesitamos ver todo el evento”, comenta James Lattimer, astrofísico de la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook. Los investigadores planean incrementar la sensibilidad del LIGO para frecuencias altas (por ejemplo, manipulando la luz láser de los enormes detectores), pero hacerlo tomaría algunos años.
Los científicos esperan también ver nuevos tipos de eventos, tales como la fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro, un evento raro según sugiere la teoría. Se supone que las explosiones de estrellas individuales en forma de supernovas en la Vía Láctea también producen ondas gravitacionales detectables, lo cual podría ayudar a los astrofísicos a descubrir exactamente cómo es que explotan las estrellas. Las estrellas de neutrones giratorias, llamadas pulsares, podrían también emitir una señal constante de ondas gravitacionales. En las próximas décadas, los científicos esperan poner en órbita un detector de ondas gravitacionales que podría hallar ondas de menor frecuencia, tales como las fusiones de agujeros negros en el centro de las galaxias.
Pero sería más interesante encontrar una señal que la astrofísica no haya predicho para nada, señala Roger Blandford, un teórico de la Universidad de Stanford en Palo Alto, California. “Me encantaría ver algo que no se ajuste a las expectativas”.