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.

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).

NGC 4993 y GW170817

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.

ondas gravitacionales

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).

NGC 4993 y kilonova que produjeron el evento GW170817

Composición que muestra la galaxia NGC 4993 en 2014 y en 2017, apreciándose la kilonova producto de la fusión de dos estrellas de neutrones || Créditos: ESO/N.R. Tanvir, A.J. Levan and the VIN-ROUGE collaboration (ampliar imagen).

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).

ESO en GW170817

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

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  • 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 artistica 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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