El choque de estrellas de neutrones, visto por primera vez

El choque de estrellas de neutrones es algo que hasta ahora se había sospechado. Sin embargo, nunca se había observado directamente. Eso ha cambiado gracias a la primera observación de una colisión de estas características. No solo en el espectro visible, también como ondas gravitacionales…

El choque de estrellas de neutrones

Concepto artístico del choque de estrellas de neutrones.

Concepto artístico del choque de estrellas de neutrones.
Crédito. NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Puede ser una de las noticias del año en el campo de la astronomía. Ya tenemos entre nosotros la quinta detección de ondas gravitacionales. Al final, han terminado dando validez a los rumores de los que hablé hace algún tiempo aquí. Es más, parece ser que los rumores, en realidad, no eran tales, sino que fue la filtración de un astrónomo. Al parecer, habría violado la cláusula de confidencialidad de la noticia.

En cualquier caso, lo anunciado el 16 de octubre de 2017 es extremadamente interesante en muchos sentidos. Comencemos por ponernos en situación. El choque de estrellas de neutrones fue detectado en NGC 4993. Es una galaxia elíptica que se encuentra a 130 millones de años-luz de la Tierra. O lo que es lo mismo, el choque tuvo lugar hace 130 millones de años. Fue un evento cataclísmico que produjo ondas gravitacionales. Si no sabes en qué consisten, lo expliqué aquí.

Aquí es donde empiezan las novedades. Esta es la quinta onda gravitacional que detectamos. Sin embargo, es la primera que no procede de la colisión de dos agujeros negros. Este fenómeno, conocido como una kilonova, fue visible no solo como ondas gravitacionales. También a lo largo y ancho del espectro electromagnético. Así que la comunidad científica estaba ante una oportunidad que no podían dejar escapar.

Un evento observable de muchas maneras

Imagen de SSS17a. Es decir, la kilonova observada en el espectro visible, en la noche del 17 de agosto de 2017.
Crédito: Tony Piro.

Por primera vez en la historia de la astronomía, hemos observado un fenómeno astronómico de varias maneras. No solo a través de las ondas gravitacionales, sino también con los telescopios. Ha sido un trabajo colaborativo en el que han participado más de 3.500 astrónomos, utilizando 100 instrumentos en 70 telescopios alrededor del planeta. Eso, sin olvidarnos de los telescopios espaciales. A todo esto, los científicos lo han denominado astronomía multimensajera.

No es un mal nombre para explicar lo que ha pasado. Todas estas observaciones, en diferentes espectros, nos proporcionan mucha más información de la que podría resultar aparente en un primer vistazo. No solo estamos descubriendo qué sucede en un choque de estrellas de neutrones. Con la observación de esta kilonova, hemos descubierto otras cosas que no están relacionadas directamente con el fenómeno y que son  muy útiles.

Este fenómeno nos permite comprender mucho mejor cómo funcionan, por ejemplo, las explosiones de supernova (a fin de cuentas, una kilonova no deja de ser algo muy parecido, pero a lo bestia). Nos ha desvelado cómo se crean elementos pesados como el oro. También nos podría explicar, por extraño que parezca, cómo funcionan los núcleos de los átomos de nuestro propio cuerpo. Hasta nos da una herramienta más para medir la expansión del universo. Así que eso de la astronomía multimensajera tiene buena pinta.

El lento baile del choque de estrellas de neutrones

Comparación de NGC 4993 en abril, observada por el telescopio Hubble, y en la noche de detección.
Crédito: Hubble/STScI, 1M2H Team/UC Santa Cruz, Carnegie Observatories/Ryan Foley

Las estrellas de neutrones son cadáveres estelares. Son los núcleos, supercompactos, de estrellas masivas que explotaron mucho tiempo atrás en forma de supernova. En este caso, sabemos que las dos estrellas, de la galaxia NGC 4993, comenzaron sus vidas como astros con una masa de entre 8 y 20 veces la masa del Sol. Al final de sus vidas, explotaron en forma de supernova y dejaron tras de sí sus núcleos. Respectivamente, cada estrella de neutrones tenía 1,3 y 1,5 masas solares.

Ambos astros orbitaron mutuamente entre sí, en un sistema binario, durante 11.000 millones de años hasta que, finalmente, entraron en contacto hace 130 millones de años y explotaron en forma de kilonova. 130 millones de años después, en la Tierra, detectamos esa colisión en nuestro planeta. Sucedió el 17 de agosto de 2017. A partir de ese momento, comenzó una actividad frenética durante las jornadas posteriores.

La secuencia de la observación es muy interesante. Primero, los observatorios de LIGO y VIRGO detectaron las ondas gravitacionales. Curiosamente, si hubiese sucedido solo unos días más tarde, LIGO no hubiese observado nada porque ya estaba programada su desconexión para mejorar el equipo de ambos observatorios. Tan solo dos segundos después, el telescopio espacial Fermi, de la NASA, detecto una potente ráfaga de rayos gamma…

Una confirmación que ya se preveía

Evolución del brillo (y color) de la kilonova en tan solo unos días.
Crédito: Sarah Wilkinson/LCO

Como ya se suponía, las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz, igual que los rayos gamma. La diferencia entre ambos fenómenos es, simplemente, el tiempo que transcurrió entre la emisión de ondas gravitacionales y la ráfaga de rayos gamma por el choque de estrellas de neutrones. Ambos fenómenos, además, permitieron reducir con bastante rapidez la zona de la fuente de estas ondas y rayos gamma.

A partir de ahí, miles de astrónomos de todo el mundo comenzaron a realizar observaciones para intentar recopilar todos los datos necesarios sobre el choque de estrellas de neutrones. De hecho, es la primera detección de ondas gravitacionales para la que sí tenemos una fuente exacta. LIGO y VIRGO solo son capaces de darnos una idea general de la dirección (así como de indicarnos sus masas y la energía liberada). Pero con el resto de espectros, y al ser un fenómeno observable, ha sido posible determinarlo con exactitud.

Eso sí, el tiempo era limitado. Una kilonova es muy brillante inicialmente. Pero solo tardó 6 días en desaparecer por completo. La primera luz de la detección tenía 2 millones de veces el brillo del Sol, y fue disminuyendo rápidamente a partir de ahí. Por suerte, solo transcurrieron 10 horas desde la detección de las ondas gravitacionales hasta que se estableció donde se encontraba, exactamente, la fuente de las ondas gravitacionales.

Un trabajo de instrumentos grandes y pequeños

En solo 4 días, el brillo de la explosión ya había pasado de azul a rojo.
Crédito: 1M2H/UC Santa Cruz and Carnegie Observatories/Ryan Foley

En estas observaciones han participado observatorios de todo tipo. Desde pequeños telescopios a algunos extremadamente conocidos. Sin ir más lejos, incluso el telescopio Hubble ha capturado imágenes de la galaxia, tanto en el espectro visible como infrarrojo. A el hay que sumarle observaciones con los telescopios Swift, Chandra y Spitzer. Las imágenes no dejan lugar a dudas. En la galaxia NGC 4993 había aparecido un objeto más brillante que una nova pero menos que una supernova.

El telescopio Hubble es capaz de realizar observaciones espectroscópicas. Es decir, puede analizar el espectro de luz de una fuente y determinar qué elementos se encuentran en él. Gracias a esto, hemos aprendido varias cosas muy interesantes. La kilonova expulsó material a una quinta parte de la velocidad de la luz. En es material, hemos encontrado los elementos más pesados de la tabla periódica. Por ejemplo, el choque de estrellas de neutrones (de estas, por lo menos) produjo 10 veces la masa de la Tierra… en oro y platino.

En la supernova original de las estrellas, se produjeron todos los elementos hasta el hierro y níquel. En la kilonova posterior, se puede observar el resto de elementos que completan la tabla periódica. Así que ahora sabemos cuál es una de las fuentes. Todavía está por determinar si el oro y el platino, por ejemplo, se forman solo en explosiones de kilonovas. Si es así, quiere decir que el fenómeno debería ser bastante frecuente.

Muchas lecciones aprendidas

Esta imagen muestra algunos de los elementos observados (y creados) en el choque de estrellas de neutrones.
Crédito: ESO

Esta observación nos ha enseñado muchas otras cosas. No solo que en una explosión de estas características se crea muchísimo material pesado. 10 masas terrestres en oro y platino no es, precisamente, moco de pavo. También nos ha permitido descubrir de dónde proceden los rayos gamma. Ahora están asociados con el choque de estrellas de neutrones. Así que permitirán a los científicos comprender mejor cómo funcionan las explosiones de supernovas.

Además, con más observaciones como esta, podremos comprender mejor cómo funcionan los núcleos de los átomos en nuestro cuerpo. A fin de cuentas, los efectos de la gravedad en las estrellas de neutrones nos permiten comprender cómo se comportan los neutrones. Es posible extrapolar ese mismo funcionamiento a los neutrones y protones que componen nuestro cuerpo y forman la mayor parte de nuestra masa.

Por último, ahora tenemos una fuente más, en cosmología, para medir la velocidad de expansión del universo. Es posible comparar la distancia a la galaxia en el espectro observable y enfrentarla a la medición que nos ofrecen las ondas gravitacionales. Poder estudiar un mismo fenómeno de dos maneras diferentes (luz y ondas gravitacionales) es todo un avance. Es como poder ver una película con sonido. Un avance enorme para la astronomía.

Un choque de estrellas de neutrones inolvidable

El telescopio Hubble observa, durante seis días, cómo evoluciona y desaparece la kilonova.
Crédito: NASA, ESA, A.J. Levan (U. Warwick), N.R. Tanvir (U. Leicester), A. Fruchter, O. Fox (STScI).

A fin de cuentas, pongamos en perspectiva lo que ha sucedido. Por primera vez, hemos captado una emisión de ondas gravitacionales que, además, ha sido también vista en el espectro electromagnético, en todas sus bandas. Es decir, ultravioleta, rayos X, luz visible, microondas, infrarrojo… Más de 70 observatorios de todo el mundo lo han observado. Aunque, llegados a este punto, quizá te preguntes, ¿cómo sabemos que fue una onda gravitacional de estrellas de neutrones?

Las ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros tienen una duración muy breve. Apenas un segundo, o dos quizá. Los agujeros negros son más densos que las estrellas de neutrones. De ahí que sus señales sean mucho más cortas. Las ondas emitidas en el choque de estrellas de neutrones, sin embargo, tuvo una duración de casi un minuto. También hay que tener en cuenta que, como quizá supongas, son ondas menos potentes.

El choque de estrellas de neutrones convirtió 0,025 veces la masa del Sol en energía. No es poco, ni mucho menos. Pero palidece ante las tres masas solares que se transformaron en ondas gravitacionales en la primera colisión detectada por los observatorios de LIGO. Ahora queda otra cuestión por comprobar. Algunos científicos creen que las colisiones de agujeros negros son más comunes que las de estrellas de neutrones…

La frecuencia de las colisiones

Concepto artístico del choque de dos estrellas de neutrones.
Crédito: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

En realidad, en un volumen de espacio cualquiera, es probable que haya muchas más choques de estrellas de neutrones que de agujeros negros. Sin embargo, estos últimos liberan mucha más energía. Es decir, podemos detectarlas desde una distancia mucho mayor. Esta última detección es la más cercana que se ha realizado hasta la fecha. Se produjo a solo 130 millones de años-luz de distancia del Sistema Solar.

Todo esto viene a confirmar lo que ya habíamos anunciado. Las ondas gravitacionales nos han abierto una nueva puerta de la astronomía. Estamos en una nueva era de observación. Por delante, quedan muchos decubrimientos. Sin duda, habrá muchas más detecciones, tanto de colisiones de agujeros negros, como de estrellas de neutrones. Es posible, también, que en algún momento detectemos una colisión entre un agujero negro y una estrella de neutrones…

Los resultados de este estudio han sido publicados en diversas revistas y diferentes estudios. En la prestigiosa revista Nature, en el momento de publicar este artículo, cuento 7 estudios diferentes: sobre las ondas gravitacionales, la observación en rayos X, observación óptica, identificación espectroscópica, equivalente electromagnético de la kilonova, el origen de los elementos pesados y el uso de ondas gravitacionales para medir la expansión del universo. También en la revisa Science (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8), así como The Astrophysical Journal y otras publicaciones.

Referencias: Nature, Science, Space, Universe Today, Phys.org, New Scientist

 

Alex Riveiro

Amante de la astronomía. Hablo de todo lo relacionado con el universo y sus conceptos de una manera amena y sencilla. Desde los púlsares hasta la historia de la astronomía en Al-Andalus.

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1 respuesta

  1. Bonderman dice:

    Hay una canción de Coldplay que dice: preguntas de ciencia, ciencia y progreso.

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