Anuncian descubrimiento de fusión de estrellas de neutrones a partir de ondas gravitacionales

Científicos teóricos y experimentales celebran un acontecimiento sin precedentes en la historia de la astrofísica moderna: la detección de un sistema binario de estrellas de neutrones durante su proceso de fusión. Esto fue logrado a partir de la observación de señales electromagnéticas y ondas gravitacionales el pasado 17 de agosto de 2017, lo que abre una ventana de información sobre el comportamiento y funcionamiento de varios fenómenos físicos del universo.

Entre los participantes de tal logro se encuentran tres investigadores del Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), el doctor William Henry Lee Alardín, el doctor Alan M. Watson Forster y la doctora María Magdalena González Sánchez, con colaboración en la detección en rayos X, el modelado teórico y restricciones a las observaciones con el Observatorio HAWC. En entrevista exclusiva con la Agencia Informativa Conacyt, William Lee y Alan Watson platicaron los detalles de este descubrimiento.

Detección gravitacional

El Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ubicado en Estados Unidos es un laboratorio capaz de detectar ondas gravitacionales a partir de dos interferómetros, es decir, alguna especie de olas en el espacio tiempo que tienen la característica de propagarse a la velocidad de la luz y que son generadas cuando estrellas con una masa como el Sol pero del tamaño de 10 kilómetros de radio se mueven a velocidades cercanas a la de la luz.

En septiembre de 2015, el observatorio LIGO detectó su primera señal exitosa a partir de la fusión de dos agujeros negros. Desde aquella fecha se han detectado cuatro eventos de fusión de agujeros negros de ocho hasta 40 veces la masa del Sol cada uno. Gracias a esto, el Premio Nobel de Física 2017 le fue otorgado a los líderes del proyecto, Kip S. Thorne y Barry C. Barish, del Instituto Tecnológico de California y Rainer Weiss del Instituto de Tecnología de Massachusetts.

A principios de agosto del año en curso, el interferómetro europeo Virgo se unió a la búsqueda de ondas gravitacionales en conjunto con LIGO.

El 17 de agosto, los tres interferómetros detectaron una nueva fuente de ondas a partir de un sistema binario que en esta ocasión no se trataba de dos agujeros negros sino de dos objetos de menor tamaño con una masa más cercana a la del Sol. Esto fue deducido con la información sobre la perturbación del espacio tiempo que ocasionó y fue denominado GW170817.

“Se tiene entendido que son dos estrellas de neutrones formadas probablemente en explosiones de supernovas, el objeto más denso que se forma antes de convertirse en agujero negro. Este objeto es muy interesante porque está relacionado a otros objetos que se conocen bien como las estrellas progenitoras que forman estos sistemas”, explicó el doctor Watson.

Es importante destacar que nunca antes se había observado la fusión de estos cuerpos, hecho que ocurrió en la galaxia NGC 4993, a una distancia relativamente cercana a la Tierra a 130 millones de años luz.

Las estrellas de neutrones son el remanente final de estrellas que, una vez expulsado gran parte de su material, permanecen como compactas esferas estelares que concentran 1.4 veces la masa del Sol en un radio de aproximadamente 10 kilómetros. Es común que existan en el universo de forma singular o binaria. Cuando se encuentran en un sistema doble y tras millones de años logran fusionarse, producen ondas gravitacionales y radiación en el espectro de los rayos gamma.

“Este sistema de estrellas de neutrones en comparación con el sistema compuesto por agujeros negros emite una señal relativamente débil, por lo que el descubrimiento de la fusión de un sistema de estrellas de neutrones en una galaxia es un logro muy emocionante”, agregó.

El doctor William Lee afirma que hasta hace dos años todo lo que se observaba en el cielo era a través de luz en diferentes bandas como visible, infrarrojo, rayos gamma, etcétera, siendo esta la única forma de ver el cielo. Con el funcionamiento correcto de LIGO, desde hace dos años se han detectado ya cuatro fusiones de agujeros negros confirmadas. “Esto  permitió encontrar una nueva forma de entender el universo a través de la propagación no de ondas electromagnéticas o luz sino de ondas gravitacionales o perturbaciones del espacio tiempo y que nunca antes se habían visto directamente”.

En el caso de un sistema binario de estrellas de neutrones existe materia alrededor del par que al fusionarse genera ondas gravitacionales que al chocar calientan y ocasionan un mayor brillo que cuando estaban separadas.

Durante el proceso de fusión, las estrellas expulsan material en el plano de giro y de forma perpendicular en forma de jets. Eso brilla en todas las bandas del espectro electromagnético, fenómeno que se ha buscado por décadas pero que no había tenido éxito hasta ahora.

Lo más relevante del descubrimiento del 17 de agosto es que posterior a que LIGO y Virgo identificaran este evento por sus ondas gravitacionales, el telescopio espacial Fermi de rayos gamma observó el evento GRB170817A, que coincidía con la zona en la que los interferómetros registraron su detección.

“Esto permitió obtener restricciones de hacia dónde observar con telescopios desde la Tierra. Ya con este detector se pudo cerrar más la posible zona de procedencia. A partir de esto, otros telescopios terrestres y satélites dirigieron su atención al punto para identificar si había ocurrido algún cambio o evento en la zona que diferenciara de días pasados”, comentó Lee.

Se identificó que la galaxia que alberga el sistema binario era observable de mejor forma desde el hemisferio sur. El conjunto de telescopios que atendieron la emergencia de conocer este evento definieron que semanas o meses atrás no existía un punto brillante en cierta zona como el que se registró a partir del 17 de agosto, presentando un cambio de brillo variable.

“No solo se descubrió el sistema binario de estrellas de neutrones fusionándose a partir de la detección de ondas gravitacionales, sino que también se observó su contraparte en luz, lo que permite identificar en qué galaxia y a qué distancia se encuentra, junto con toda la información que se puede obtener a partir de las emisiones electromagnéticas que genera como su formación y evolución”, añadió.

Este hecho es importante porque permitirá a los científicos comprender cómo funciona la materia a muy altas temperaturas y densidades, sobre todo porque en sitios como ese es que se forman elementos químicos que no se configuran en otra parte del universo.

En estos eventos, también se expulsa material durante la fusión y bajo estas condiciones de temperatura y densidad se forman elementos químicos de la tabla periódica más pesados que el hierro y a partir de su decaimiento radiactivo hace que el evento brille en óptico y luz infrarroja. La energía de ese decaimiento logra salir del sistema en forma de luz observable, misma que se observó en los días y semanas siguientes al descubrimiento del sistema.

Con esta información, los científicos que forman parte del proyecto dedicaron su atención a comparar las predicciones del funcionamiento de estos objetos con lo observado para entender el proceso de variación de brillo y si esto es consistente con la teoría predicha.

Alan Watson afirma que aunque era posible que la comunidad científica pudiera haber confundido este evento con una supernova, esto fue descartado luego de realizar la comparación de los datos nuevos obtenidos con información anterior de explosiones de supernovas. La información rescatada en las diferentes bandas de luz y modulación de brillo indicó que se trataba de un evento de fusión de estrellas de neutrones, por lo que los investigadores tienen confianza de que el evento detectado en ondas electromagnéticas se trata de la contraparte en luz del evento descubierto por ondas gravitacionales.

“La fuente de ondas gravitacionales y electromagnéticas es el mismo fenómeno. El brillo se genera en la etapa final cuando los cuerpos se calentaron previo y durante el choque. Ese fenómeno hace que se produzca luz a partir del decaimiento radiactivo de los elementos generados en estas reacciones. Cuando ambas estrellas están a punto de chocar es cuando se tiene la mayor intensidad de ondas gravitacionales y cuando finalmente chocan se da la liberación de energía en forma de luz.  Es decir que el  fin del máximo en la generación de ondas gravitacionales coincide con el inicio del máximo en la generación de luz”, explicó Lee Alardín.

Las observaciones identificadas en esta ocasión presentan una diferencia de 1.7 segundos entre el máximo de ondas gravitacionales detectadas por Virgo y LIGO y la observación en rayos gamma por Fermi. Poco más de una semana después a la observación, el satélite espacial Chandra detectó la misma fuente en rayos X, situación que confirmó que la fusión de estrellas de neutrones ocasionó una gran emisión en distintas bandas del espectro.

A pesar de encontrarse en el hemisferio norte, México pudo establecer límites de observación a la emisión producida en altas energías —rayos gamma— a partir del observatorio High Altitude Water Cherenkov ubicado en Sierra Negra, Puebla.

Toda esta información pone a prueba las teorías actuales sobre el universo y crea nuevas preguntas, por ejemplo, sobre el detallado proceso que permite convertir la energía que se libera en calor y luz, “por fin podemos tener información para esto dada la cercanía y geometría inclinada del evento que nos permitirá aprender sobre su funcionamiento”, agregó Watson.

No se sabe cuál fue el destino final del sistema binario después de fusionar, aunque se piensa podría haberse convertido en un agujero negro, pero sí se tiene certeza que la fusión de ambas estrellas ocasionó un chorro colimado expulsado casi a la velocidad de la luz que dio origen a los rayos gamma detectados por Fermi y posteriormente una pequeña cantidad de masa generando luz visible e infrarroja.

Por su parte, los científicos mexicanos William Lee y Alan Watson participan en el grupo de astrónomos de nueve países que presentarán su investigación en la revista Nature, así como en la revista Astrophysical Journal Letters, con una descripción de las observaciones y relación entre el fenómeno detectado en ondas electromagnéticas y gravitacionales.

Alan Watson destacó que en un futuro cercano se espera poder colaborar además de forma experimental con la implementación de la nueva infraestructura que se encuentra en HAWC y en el Observatorio Astronómico Nacional en San Pedro Mártir, Baja California, con los proyectos Deca-Degree Optical Transient Imager (DDOTI), Reionization And Transients Infrared/Optical Project (Ratir) y el Telescopio San Pedro Mártir de 6.5 metros de diámetro.

Con esto se demuestra que es posible obtener más información del universo a partir de la conjunción de ondas gravitacionales y electromagnéticas, así como de las condiciones y comportamiento de la materia a muy altas temperaturas y densidades imposibles de replicar en laboratorio terrestres.

Fuente: CONACYT.