LIGO detecta ondas gravitacionales asociadas a una fusión de estrellas de neutrones

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Hace unos días nos enterábamos de los ganadores del Premio Nobel de Física. Rainier Weiss, Barry Barish y Kip Thorne, fueron los afortunados. El motivo, y cito textualmente, «por sus contribuciones decisivas al detector LIGO y por la observación de ondas gravitacionales». Y son estas ondas gravitacionales las que acapararán alguna portada de los periódicos de mañana martes. Y no es para menos. Por primera vez, los astrónomos han observado tanto ondas gravitacionales como radiación electromagnética procedentes de un mismo evento.

Ha sido posible gracias a una rápida reacción tanto de las instalaciones de ESO (Observatorio Europeo Austral) como de otras instalaciones internacionales. Para ponerlo en contexto, recuerden que las ondas gravitacionales son ondas que se producen en el tejido del espacio-tiempo creadas por masas en movimiento. A mayor masa, mayor amplitud de estas ondas.

LIGO/VIRGO detectan GW170817

La quinta detección de este tipo de ondas es la que hoy nos atañe. Tuvo lugar el pasado 17 de agosto cuando el detector LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) y el Interferómetro VIRGO detectaron una secuencia de ondas gravitacionales que fue bautizada como GW170817. Apenas dos segundos más tarde, los telescopios espaciales Fermi Gamma-ray Space Telescope de la NASA e INTEGRAL (INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory) de la ESA, detectaron un breve estallido de rayos gamma (GRB) en la misma región del cielo, una zona austral de unos 35 grados cuadrados que contiene millones de estrellas.

Telescopios por todo el mundo

A medida que caía la noche sobre Chile, muchos telescopios estudiaron esa zona del cielo en busca de nuevos eventos. Telescopios como VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy), VST (VLT Survey Telescope), REM (Rapid Eye Mount) o DECcam se unieron a la búsqueda. Sin embargo, el primero en anunciar una nueva detección fue el telescopio Swope en una zona muy próxima a la galaxia lenticular NGC 4993.

Casi al mismo tiempo, VISTA aportó información de la fuente en el infrarrojo. Poco más tarde, los telescopios Pan-STARRS y Subaru en Hawai la captaron y observaron su rápida evolución. «Hay ocasiones excepcionales en las que, quienes nos dedicamos a la ciencia, tenemos la oportunidad de presenciar el principio de una nueva era. Esta es una de ellas», afirmó Elena Pian, astrónoma del INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica).

Imagen de la galaxia NGC 4993 donde ha tenido lugar el evento de ondas gravitacionales GW170817 || Créditos: ESO/A.J. Levan, N.R. Tanvir (ampliar imagen).

ESO puso en marcha uno de las mayores campañas de observación de eventos de oportunidad -ToO (Target of Opportunity)- jamás creadas. Muchos telescopios, tanto de ESO como de sus colaboradores, observaron el objeto durante las semanas que siguieron a la detección.

El VLT (Very Large Telescope), el NTT (New Technology Telescope), el VST (VLT Survey Telescope), el Telescopio MPG/ESO de 2,2 metros y ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) observaron tanto el evento como sus efectos en una amplia gama de longitudes de onda. Unos 70 observatorios de todo el mundo también lo observaron, además del telescopio espacial Hubble (NASA/ESA).

Ondas gravitacionales y rayos gamma

Con los datos en la mano, la fuente de ondas gravitacionales GW170817 y la galaxia NGC 4993 son equidistantes. Unos 130 millones años luz de la Tierra. Se trata por tanto de los eventos de ondas gravitacionales y de explosión de rayos gamma más cercanos detectados. Todo apunta a que la fuente es un sistema binario de estrellas de neutrones que han llegado a fusionarse.

Este tipo de eventos generaría ondas gravitacionales más débiles que la fusión de agujeros negros. Esto último es la causa -probablemente- de las primeras cuatro detecciones de ondas gravitacionales. La cercanía del evento es lo que ha hecho posible su detección.

Representación artística que muestra las dos estrellas de neutrones orbitándose mútuamente instantes previos a la fusión de ambas || Créditos: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser (ampliar imagen).

¿Qué son las estrellas de neutrones?

Son núcleos extraordinariamente densos de estrellas muy masivas que colapsan tras explotar como supernovas. Al orbitarse dos de estas estrellas mútuamente en un sistema binario, pierden energía en forma de ondas gravitacionales, digamos, débiles. Es al entrar en contacto cuando la masa del remanente estelar se convierte en energía. Esto provoca un violento estallido de ondas gravitacionales, que son las que se detectaron el pasado 17 de agosto.

La teoría apunta que a este tipo de eventos le sigue una explosión conocida a nivel teórico como kilonova. Este tipo de explosiones serían unas 1.000 veces más brillante que la típica nova. La detección casi simultánea de ondas gravitacionales y del estallido rayos gamma hace que se tengan esperanzas de que este objeto sea una kilonova, algo que se postuló hace más de 30 años.

La primera kilonova

De momento, las observaciones invitan al optimismo ya que las propiedades encontradas son notablemente cercanas a las predicciones teóricas. Sería ésta la primera observación confirmada. En las observaciones se apreció como el color de esta posible kilonova cambió de muy azul a muy rojo durante los días posteriores. Se trataría pues del cambio más rápido observado en explosiones estelares.

«Cuando el espectro apareció en nuestras pantallas me di cuenta de que se trataba del evento transitorio más inusual que había visto nunca. Nuestros datos, junto con los de otros grupos, demostraron que esto no era una supernova o una estrella variable de primer plano, sino algo mucho más extraordinario”, comentó Stephen Smartt, quien dirigió las observaciones con el NTT de ESO como parte del programa de observación ePESSTO (Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects).

Los espectros de la kilonova

Los espectros de ePESSTO y del instrumento X-SHOOTER sugieren que las estrellas de neutrones explusaron cesio y telurio. Estos y otros elementos pesados serían lanzados al estallar la kilonova. «Los datos que tenemos hasta ahora encajan de forma increíble con la teoría.

Es un triunfo para los teóricos, una confirmación de que los eventos de LIGO-VIRGO son absolutamente reales y un logro para ESO por haber reunido un sorprendente conjunto de datos sobre la kilonova», añade Stefano Covino, autor principal de uno de los artículos que expone parte de la investigación (Covino et al, 2017).

Cobertura de ESO al evento GW170817 en las diferentes longitudes de onda || Créditos: ESO (ampliar imagen).

Sin duda toda esta investigación es producto de la gran coordinación de ESO. No es fácil coordinar tantos instrumentos a la hora de analizar un evento común. Una vez coordinados, los resultados permiten un análisis de un evento único. Al estar abordado desde muchísimos puntos de vista, la investigación se ha visto enriquecida. Estos resultados marcan un punto de inflexión al haber relacionado un evento de ondas gravitacionales con un GRB. Inequívocamente estamos yendo por el camino correcto.

Referencias

  • Abbott, B.P. et al (2017-1). «Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger». The Astrophysical Journal Letters 848 – L12. DOI: 10.3847/2041-8213/aa91c9 (Ver).
  • Abbott, B.P. et al (2017-2). «Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB 170817A». The Astrophysical Journal Letters 848 – L13. DOI: 10.3847/2041-8213/aa920c (Ver).
  • Alexander, K.D. et al (2017). «The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. VI. Radio Constraints on a Relativistic Jet and Predictions for Late-time Emission from the Kilonova Ejecta». The Astrophysical Journal Letters 848 – L21. DOI: 10.3847/2041-8213/aa905d (Ver).
  • Arcavi, I. et al (2017). «Optical Follow-up of Gravitational-wave Events with Las Cumbres Observatory». The Astrophysical Journal Letters 848 – L33. DOI: 10.3847/2041-8213/aa910f (Ver).
  • Blanchard, P.K. et al (2017). «The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. VII. Properties of the Host Galaxy and Constraints on the Merger Timescale». The Astrophysical Journal Letters 848 – L22. DOI: 10.3847/2041-8213/aa9055 (Ver).
  • Chornock, R. et al (2017). «The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. IV. Detection of Near-infrared Signatures of r-process Nucleosynthesis with Gemini-South». The Astrophysical Journal Letters 848 – L19. DOI: 10.3847/2041-8213/aa905c (Ver).
  • Cowperthwaite, P.S. et al (2017). «The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. II. UV, Optical, and Near-infrared Light Curves and Comparison to Kilonova Models». The Astrophysical Journal Letters 848 – L17. DOI: 10.3847/2041-8213/aa8fc7 (Ver).
  • Covino, S. et al (2017). «The unpolarized macronova associated with the gravitational wave event GW 170817». Nature Astronomy 1 – 4. DOI: 10.1038/s41550-017-0285-z (Ver).
  • Díaz, M.C. et al (2017). «Observations of the First Electromagnetic Counterpart to a Gravitational-wave Source by the TOROS Collaboration». The Astrophysical Journal Letters 848 – L29. DOI: 10.3847/2041-8213/aa9060 (Ver).
  • Fong, W. et al (2017). «The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. VIII. A Comparison to Cosmological Short-duration Gamma-Ray Bursts». The Astrophysical Journal Letters 848 – L23. DOI: 10.3847/2041-8213/aa9018 (Ver).
  • Goldstein, A. et al (2017). «An Ordinary Short Gamma-Ray Burst with Extraordinary Implications: Fermi-GBM Detection of GRB 170817A». The Astrophysical Journal Letters 848 – L14. DOI: 10.3847/2041-8213/aa8f41 (Ver).
  • Haggard, D. et al (2017). «A Deep Chandra X-Ray Study of Neutron Star Coalescence GW170817». The Astrophysical Journal Letters 848 – L25. DOI: 10.3847/2041-8213/aa8ede (Ver).
  • Hjorth, J. et al (2017). «The Distance to NGC 4993: The Host Galaxy of the Gravitational-wave Event GW170817». The Astrophysical Journal Letters 848 – L31. DOI: 10.3847/2041-8213/aa9110 (Ver).
  • Levan, A.J. et al (2017). «The Environment of the Binary Neutron Star Merger GW170817». The Astrophysical Journal Letters 848 – L28. DOI: 10.3847/2041-8213/aa905f (Ver).
  • Margutti, R. et al (2017). «The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. V. Rising X-Ray Emission from an Off-axis Jet». The Astrophysical Jornal Letters 848 – L20. DOI: 10.3847/2041-8213/aa9057 (Ver).
  • McCully, C. et al (2017). «The Rapid Reddening and Featureless Optical Spectra of the Optical Counterpart of GW170817, AT 2017gfo, during the First Four Days». The Astrophysical Journal Letters 848 – L32. DOI: 10.3847/2041-8213/aa9111 (Ver).
  • Murguia-Berthier, A. et al (2017). «A Neutron Star Binary Merger Model for GW170817/GRB 170817A/SSS17a». The Astrophysical Journal Letters 848 – L34. DOI: 10.3847/2041-8213/aa91b3 (Ver).
  • Nicholl, M. et al (2017). «The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. III. Optical and UV Spectra of a Blue Kilonova from Fast Polar Ejecta». The Astrophysical Journal Letters 848 – L18. DOI: 10.3847/2041-8213/aa9029 (Ver).
  • Pan, Y.-C. et al (2017). «The Old Host-galaxy Environment of SSS17a, the First Electromagnetic Counterpart to a Gravitational-wave Source*». The Astrophysical Journal Letters 848 – L30. DOI: 10.3847/2041-8213/aa9116 (Ver).
  • Savchenko, V. et al (2017). «INTEGRAL Detection of the First Prompt Gamma-Ray Signal Coincident with the Gravitational-wave Event GW170817». The Astrophysical Journal Letters 848 – L15. DOI: 10.3847/2041-8213/aa8f94 (Ver).
  • Siebert, M.R. et al (2017). «The Unprecedented Properties of the First Electromagnetic Counterpart to a Gravitational-wave Source». The Astrophysical Journal Letters 848 – L26. DOI: 10.3847/2041-8213/aa905e (Ver).
  • Soares-Santos, M. et al (2017). «The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. I. Discovery of the Optical Counterpart Using the Dark Energy Camera». The Astrophysical Journal Letters 848 – L16. DOI: 10.3847/2041-8213/aa9059 (Ver).
  • Tanvir, N.R. et al (2017). «The Emergence of a Lanthanide-rich Kilonova Following the Merger of Two Neutron Stars». The Astrophysical Jornal Letters 848 – L27. DOI: 10.3847/2041-8213/aa90b6 (Ver).
  • Valenti, S. et al (2017). «The Discovery of the Electromagnetic Counterpart of GW170817: Kilonova AT 2017gfo/DLT17ck». The Astrophysical Journal Letters 848 – L24. DOI: 10.3847/2041-8213/aa8edf (Ver).
  • ESO Telescopes Observe First Light from Gravitational Wave Source (Ver).
  • Telescopios de ESO observan la primera luz de una fuente de ondas gravitacionales (Ver).
  • Press Release: The Nobel Prize in Physics 2017 (Ver).

Agradecimientos

  • Rosa Jesse (ESO education and Public Outreach Department).

Imagen de cabecera

  • Representación artística de la fusión de dos estrellas de neutrones explotando como una kilonova y emitiendo ondas gravitacionales, tal y como ha sucedido en la galaxia NGC 4993 a 130 millones de años luz de la Tierra || Créditos: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser (ampliar imagen).

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