Representación de la fusión de estrellas de neutrones observada - ESO

Un descubrimiento histórico en ondas gravitacionales abre una nueva era en la Astrofísica

Por primera vez los científicos han podido observar un mismo fenómeno, la fusión de estrellas de neutrones, con telescopios y «escucharlo» con estas distorsiones del espacio-tiempo. El avance revoluciona la ciencia

MADRIDActualizado:

El anuncio de la primera detección de ondas gravitacionales, ocurrido en febrero de 2016, fue histórico. Por primera vez se confirmó directamente que estas distorsiones del espacio-tiempo predichas por la Relatividad de Einstein eran una realidad. Por primera vez se comprobó que la tecnología era tan refinada como poder captar unas señales tan sutiles como estas y que, por tanto, ahora podía estudiarse el Universo a través de ellas en vez de con las ondas electromagnéticas (luz, rayos X o gamma), como siempre se ha hecho. Desde entonces, no solo se puede ver el Universo, también se puede «escuchar». Gracias a eso se han detectado hasta el momento la fusión de agujeros negros binarios en cuatro ocasiones, y se ha comenzado a vislumbrar que son más abundantes de lo esperado.

Este lunes, ha ocurrido otro avance tan importante como la primera detección. Los científicos han logrado observar con telescopios y «escuchar» con ondas gravitacionales una misma fuente: en concreto, un evento de fusión de estrellas de neutrones situado en una galaxia «cercana», a 130 millones de años luz. Más de 70 observatorios astronómicos terrestres y espaciales y más de 3.500 científicos de todo el globo han observado esta fusión cuyas ondas gravitacionales se han captado. Gracias a esto se han hecho múltiples descubrimientos relacionados con aspectos muy variados, como el comportamiento de la materia, la generación de átomos pesados en el espacio, el origen de los estallidos de rayos gamma o la tasa de expansión del Universo. Este es hasta ahora uno de los eventos astrofísicos más observados e inaugura una nueva era en la astronomía que durante las próximas décadas se sumergirá en los misterios del Universo. Todos ellos se resumen en una colección de ocho artículos publicados en Physical Review Letters y Nature, y que darán lugar a decenas más en las próximas semanas, meses y años.

Una nueva era en la Astrofísica

«Esta observación representa el nacimiento de la astrofísica de múltiples mensajeros», ha dicho a ABC Barry Barish, reciente premio Nobel de Física por el descubrimiento de las ondas gravitacionales, para referirse a una nueva disciplina en la que se observarán con ondas electromagnéticas objetos cuyas ondas gravitacionales se «escuchan». «Gracias a esto se han hecho muchos diferentes descubrimientos, como establecer el origen de los estallidos de rayos gamma (GRBs, en inglés), nuevas e independientes medidas de la constante de Hubble o estudiar las estrellas de neutrones con solo los datos de las ondas gravitacionales».

Simulaciones obtenidas con datos de la fusión observada
Simulaciones obtenidas con datos de la fusión observada- LIGO

«Este avance es de extrema importancia», explicó a ABC David Shoemaker, portavoz de la colaboración científica de LIGO, el Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales que está situado en Estados Unidos, con cuyos dos detectores se captaron estas señales del espacio-tiempo por primera vez. «El hecho de tener un nuevo mensajero para llevar información cambia mucho lo que podemos conseguir. Es mucho más que tener muchos telescopios, ahora tenemos otro tipo de información».

En opinión de Alicia Sintes, profesora del grupo de Relatividad y Gravitación de la Universidad de las Islas Baleares (UIB) y miembro de la colaboración de LIGO que ha participado en estas investigaciones, este es un «hito histórico que marca el comienzo de la astrofísica de múltiples mensajeros». Y añadió: «Este va a ser uno de los eventos más estudiados de la Astrofísica, no hay precedentes. Habrá montones de artículos, y uno de ellos reunirá a 3.500 autores».

El evento, observado por el Hubble
El evento, observado por el Hubble- HUBBLE SPACE TELESCOPE

Aunque muy por detrás de lo que es habitual en los grandes descubrimientos en física de partículas, en los que participa por ejemplo el gran acelerador de partículas (LHC), en esta ocasión las ondas gravitacionales han reunido a físicos y astrónomos de todo el planeta en torno a un mismo fenómeno de la naturaleza. Es sin duda un triunfo del trabajo en equipo.

Comienza la odisea

La historia de este relevante hallazgo se remonta al 17 de agosto de este año. Pasaban cuatro segundos de las 14.41 (hora española) cuando los dos instrumentos detectores que componen el LIGO, y que están situados en Livingston (Luisiana) y Hanford (Washington), captaron una posible señal de ondas gravitacionales procedentes de la galaxia GW170817, a 130 millones de años luz de la Tierra. Gracias al observatorio de ondas gravitacionales europeo, Virgo, que recientemente había comenzado a operar, pronto se pudo afinar la localización de la fuente de las ondas.

Dos segundos después de la detección de la señal de ondas gravitacionales, el telescopio espacial Fermi captó un estallido de rayos gamma. Los sistemas automáticos consideraron que se estaba ante algo potencialmente interesante y lanzaron una alerta para observatorios a lo largo y ancho del planeta.

Los puntos representan los 70 observatorios astronómicos y los tres detectores de ondas gravitacionales que han participado en el hallazgo
Los puntos representan los 70 observatorios astronómicos y los tres detectores de ondas gravitacionales que han participado en el hallazgo- LIGO

Una aguja en un pajar de 50 galaxias

Las ondas gravitacionales permitieron estimar la distancia de la fuente, su masa aproximada y acotar la zona en la que podía estar. A diferencia de lo observado hasta ahora en agujeros negros, donde las ondas apenas duraban un par de segundos, en esta ocasión la onda duró 100 segundos, era más sutil y parecía provenir de una masa similar a 1.1 o 1.6 soles, muy por debajo del tamaño de los agujeros negros detectados antes. «Inmediatamente nos pareció que la fuente podía tratarse de estrellas de neutrones», dijo Shoemaker.

Durante este evento de fusión, las estrellas de neutrones se desgarran. Son objetos extremadamente densos (casi tanto como pueden ser antes de que la materia no soporte la presión y acabe desmoronándose para generar un agujero negro). Se puede decir, sin exagerar, que las estrellas de neutrones son núcleos atómicos inmensos, prácticamente compuestos solo por neutrones. En esta ocasión, las estrellas tenían un diámetro de cerca de 20 kilómetros y una masa equivalente a 1,1 o 1,6 soles. Esto implica que una cucharilla de té con material de una de las estrellas pesaría mil millones de toneladas.

Gracias a las coordenadas dadas por LIGO y Virgo, una gran cantidad de observatorios comenzaron a buscar un punto luminoso en torno a 50 posibles galaxias, como si se tratara de una búsqueda de una aguja en un pajar de magnitudes cósmicas.

Los científicos están sorprendidos por la suerte que han tenido. Esperaban observar este fenómeno a lo largo de esta década, pero no tan pronto y con esta claridad. Gracias a que han estado preparados, han podido ver con nitidez como la fusión de estrella de neutrones desnudaba poco a poco sus secretos. En primer lugar, la fusión emitió un estallido de rayos gamma, lo que ha permitido hacer cálculos para confirmar las predicciones de la Relatividad y confirmar que este evento es origen de los estallidos de rayos gamma (GRBs) de corta duración.

Con el paso de las horas, las semanas e incluso los meses, el evento de fusión siguió emitiendo otras formas de radiación electromagnética que transportaban información sobre distintos aspectos del fenómeno. Primero llegaron los rayos X, luego los ultravioleta, luego la luz visible, luego el infrarrojo y, por último, las ondas de radio. Todo este viaje por el espectro electromagnético ha sido un «regalo» increíble para los científicos.

Con el paso del tiempo se captaron distintas formas de radiación electromagnética
Con el paso del tiempo se captaron distintas formas de radiación electromagnética- LIGO

Gracias a esto, se ha podido observar las consecuencias predichas antes que tiene una «kilonova», un evento nunca antes observado con claridad. En concreto, se han visto las consecuencias de la expulsión del material de las estrellas a enormes velocidades y la consecuente liberación de radiación electromagnética. También se ha observado en funcionamiento del «proceso-r», un fenómeno que provoca la fusión de átomos y genera elementos químicos más pesados que el hierro. De hecho, los científicos han captado allí platino y oro, y así han podido aportar nuevos conocimientos para explicar cómo surgen los elementos pesados en el Universo, cuyo origen también está relacionado con las supernovas.

Recreación del evento observado con ondas gravitacionales y electromagnéticas
Recreación del evento observado con ondas gravitacionales y electromagnéticas- NASA/ESA/HUBBLE

Esta gran observación de múltiples mensajeros, ondas electromagnéticas y ondas gravitacionales, también ha permitido aprender mucho sobre el funcionamiento de las estrellas de neutrones. Además, se han hecho medidas interesantes para comprender con qué velocidad se expande el Universo: de hecho, por primera vez se han hecho cálculos independientes, sin telescopios, de qué valor tiene la constante de Hubble, ese parámetro que mide la tasa de expansión del cosmos.

Gabriela González, integrante de LIGO que participó en el primer anuncio de ondas gravitacionales, destacó la importancia del trabajo en equipo: «Esto ha sido fruto del esfuerzo de muchos. Estamos muy orgullosos de la colaboración, en varios países, que lo ha hecho posible». No había precedentes de algo así, y quizás podría marcar una nueva tendencia.

En opinión de Marío Diaz, colaborador de LIGO y director del grupo del centro de Astronomía y Ondas Gravitacionales de la Universidad de Texas, en el Valle de Río Grande (EE.UU.), «aún hay mucho por comprender»: «neceistamos más mediciones y observaciones más precisas. Esa rama de la Astronomía ha alcanzado la mayoría de edad, y ahora debe seguir dando pasos».

Grandes misterios por resolver

Si los resultados presentados este lunes son alucinantes, el futuro es aún más prometedor. Tal como explicó a ABC Stuart Saphiro, miembro de LIGO en la universidad de Illinois y experto en la física de estrellas de neutrones, los avances anunciados este lunes son «el santo Grial de la Astrofísica de múltiples mensajeros». Pero, con el tiempo, Saphiro predijo que llegarán muchas cosas más: «se podrán observar la fusión de agujeros negros supermasivos, más fusiones de estrellas de neutrones y la unión de enanas blancas». Todo esto, añadió, «está estrechamente vinculado con la estructura y la evolución de las galaxias y toda la cosmología».

Tal como recordó Shoemaker, todo esto podría resolver algunas grandes preguntas relacionadas con la materia y la energía oscuras. En cuestión de décadas, quizás la sensibilidad y los nuevos observatorios podrán incluso captar las ondas gravitacionales de fondo dejadas por el nacimiento del Big Bang. Esto, de momento, es ciencia ficción. Pero mucho más cerca del Big Bang, en el tiempo y en el espacio, las ondas gravitacionales han comenzado una nueva era. Aliadas con las ondas electromagnéticas y gracias al esfuerzo colaborativo de astrónomos de todo el mundo, la ciencia acaba de dar un salto histórico para desvelar los secretos del Universo. Quién sabe cómo transformará esto el conocimiento y la tecnología humanas.

Corrección, 26 de octubre de 2017: En una versión anterior se dijo que el anuncio realizado en febrero de 2016 correspondía a la primera detección de una onda gravitacional, pero en realidad esto corresponde a la primera detección directa. La primera evidencia experimental de ondas gravitacionales es anterior. En 1978 el científico Joseph H. Taylor Jr. obtuvo pruebas de que los cambios en el período orbital de un púlsar binario concordaban con lo predicho por la Relatividad de Einstein, y según la cual las variaciones en el movimiento se debían a la emisión de ondas gravitacionales. La buena concordancia entre los valores observados y los calculados teóricamente se consideraron como una prueba indirecta de la existencia de ondas gravitacionales. Estos avances le valieron a Russell A. Hulse y Joseph H. Taylor, Jr, el premio Nobel de Física en el año 1993 por el descubrimiento de un nuevo tipo de púlsar, y por las posibilidades que esto abrió en el estudio de la gravitación.