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TAPA

Cataclismo cósmico

Una colisión de estrellas de neutrones emite ondas gravitacionales y luz, y suscita un esfuerzo internacional tendiente a comprender este evento inédito de la astronomía

NSF/ LIGO/ Sonoma State University/ A. Simonnet Representación artística de la colisión de un par de estrellas de neutrones, tal como la detectada el 17 de agosto de este añoNSF/ LIGO/ Sonoma State University/ A. Simonnet

El 17 de agosto de 2017 fue un día histórico para la astronomía. Eran las 05:41 h de aquel jueves en la costa oeste de Estados Unidos cuando las computadoras de un laboratorio en Hanford registraron el paso de otra onda gravitatoria por la Tierra. En esa pequeña localidad del estado de Washington, donde se produjo el material radiactivo de la bomba atómica arrojada sobre Nagasaki, en Japón, funciona uno de los dispositivos más precisos hasta ahora construidos para medir variaciones de distancias: un interferómetro láser concebido para la detección de sutiles deformaciones del espacio-tiempo causadas por las ondas gravitacionales. Una fracción de segundo antes de que la institución de Hanford captara esa onda gravitatoria, un aparato idéntico instalado en Livingston, en el estado de Luisiana, había detectado la misma señal. La perturbación identificada por los laboratorios gemelos del Observatorio Interferométrico de Ondas Gravitacionales (Ligo, por sus siglas en inglés) también había sido registrada casi simultáneamente por un equipamiento similar, el interferómetro Virgo, en Pisa, Italia.

Durante 1 minuto y 40 segundos, los tres detectores siguieron las instancias finales de aproximación y muerte de dos estrellas casi apagadas. Dos estrellas de neutrones –las menores y más densas que se conocen– atraídas por la gravedad, giraron una en torno de la otra mientras liberaban energía hacia el espacio en forma de ondas gravitacionales. Ambos astros se fusionaron en un evento explosivo denominado kilonova, que se produjo a 130 millones de años luz de la Tierra, en la periferia de la galaxia NGC 4993, en la constelación de Hidra. Las dos estrellas poseían una masa un poco mayor que la del Sol y, con 12 kilómetros de diámetro, eran invisibles para los telescopios del planeta. Al chocar, liberaron una nube de materia incandescente que, durante una fracción de segundo, brilló más que las estrellas de la Vía Láctea. Luego de la detección de las ondas gravitacionales y de la ubicación de la región del espacio en donde se originaron, los telescopios en la superficie y en órbita terrestre registraron la luz evanescente de la kilonova para conocer el destino de la materia lanzada al espacio por la explosión.

“Es la primera vez que observamos las ondas gravitacionales y electromagnéticas provenientes de un mismo evento astrofísico cataclísmico”, dijo el físico David Reitze en el anuncio oficial del descubrimiento, que se llevó a cabo el 16 de octubre en la sede de la National Science Foundation, en Estados Unidos. Reitze se desempeña como director ejecutivo del Observatorio Interferométrico de Ondas Gravitacionales (Ligo), un consorcio científico que involucra a más de 1.200 investigadores, algunos de Brasil, y que opera los dos detectores instalados en suelo estadounidense.

La detección de las ondas gravitacionales y electromagnéticas emitidas por un mismo fenómeno inaugura, según Reitze, la era de la astronomía multimensajera. Los dos tipos de ondas aportan informaciones diferentes acerca de los cuerpos celestes. Mientras que las ondas gravitacionales surgen debido a oscilaciones de la materia que deforman el espacio-tiempo, las electromagnéticas se producen por vibraciones de partículas con carga eléctrica y se perciben como luz (visible e invisible). Ambas se propagan en el espacio vacío a 300 mil kilómetros por segundo y revelan características complementarias del objeto que las generó.

Un estado desconocido
Desde hace décadas, los astrónomos estudian la luz –especialmente las ondas de radio y los rayos X– que emiten las capas más superficiales de las estrellas de neutrones. Esa luz permite tener una idea de cómo es la capa exterior de esas estrellas, pero revela poco acerca de su interior. Tanto físicos como astrofísicos imaginan que las capas profundas se hallan sometidas a densidades y presiones tan elevadas que, allí, la materia asumiría un estado desconocido. La solución para ese misterio podría hallarse en la investigación de las ondas gravitacionales generadas por la colisión de dos estrellas de neutrones. Pero sucede que esas ondulaciones en el espacio-tiempo que éstas generan dependen, en cierta medida, del modo en que la materia en el interior de las estrellas se deforma y se desintegra durante la colisión.

1M2H/ UC Santa Cruz and Carnegie Observatories La flecha indica la región de la galaxia NGC 4993 en que se produjo la colisión de las estrellas de neutrones, registrada el 17 de agosto (a la izq.) y el 21 de agosto1M2H/ UC Santa Cruz and Carnegie Observatories

Observaciones del choque de ese tipo de estrellas se tornarán rutinarias en los años venideros, con el perfeccionamiento de los detectores del Ligo y del Virgo, que actualmente se encuentran en otra etapa programada de mantenimiento y calibrado. El Ligo, por caso, completó su segundo período de registro de datos el 25 de agosto de este año y volverá a operar en octubre de 2018, con una mejora en su sensibilidad. En simultáneo, los científicos esperan reducir a la mitad el ruido que entorpece el funcionamiento de los detectores. “De esta manera, deberíamos registrar entre cinco y diez veces más colisiones de agujeros negros y de estrellas de neutrones”, comenta el físico italiano Riccardo Sturani, del Instituto Internacional de Física de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte (IIP-UFRN), quien realiza cálculos analíticos sobre las ondas gravitacionales que el Ligo puede registrar. En Brasil, además de él, Odylio Aguiar y César Costa, ambos del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, en portugués) forman parte del equipo del Ligo que trabaja para mejorar la precisión de los detectores.

La primera observación directa de las ondas gravitacionales, en septiembre de 2015, confirmó un fenómeno previsto por la teoría de la relatividad general, formulada en 1915 por el físico Albert Einstein (1879-1955). A partir de esa teoría, Einstein modificó la ley de la gravedad universal, propuesta por Isaac Newton en 1687. Para Newton, la gravedad era una fuerza de atracción originada por la masa de los cuerpos. Einstein reformuló la comprensión de la fuerza gravitatoria, el espacio y el tiempo con la teoría de la relatividad general. Según esta teoría, tanto la masa como la energía de un cuerpo producen fuerza gravitatoria, la cual se manifiesta como una curvatura del espacio y una desaceleración del paso del tiempo en torno del cuerpo. Cuanto mayor son la masa y la energía de un cuerpo, mayores son el empuje gravitatorio y la deformación del espacio y el tiempo, que se perciben como una sola entidad, el espacio-tiempo. Una consecuencia de ello es que el desplazamiento de los cuerpos genera oscilaciones en el espacio-tiempo que se propagan como ondas gravitacionales.

El espacio-tiempo sufre deformaciones drásticas cuando, por ejemplo, una estrella cuya masa es varias veces superior a la del Sol consume la totalidad de su combustible nuclear y su núcleo, compuesto por átomos de hierro, implosiona generando un agujero negro, un objeto en el cual la gravedad es tan elevada que ni siquiera la luz escapa, o bien, se transforma en una estrella de neutrones, las menores y más densas que se conocen. En ambos casos, la curvatura del espacio-tiempo es extrema, como así también la presión y la densidad a la cual queda sometida la materia restante.

Las estrellas de neutrones concentran una masa equivalente a la del Sol en esferas de alrededor de 20 km de diámetro

Una estrella de neutrones posee una masa algo superior a la del Sol, concentrada en una esfera de alrededor de 20 kilómetros de diámetro, siendo que el astro del sistema solar es de un tamaño 70 mil veces mayor. “Un cuenco de feijoada con una porción de materia de las estrellas de neutrones pesaría en la Tierra lo mismo que el peso sumado de los 7 mil millones de habitantes del planeta”, compara Jorge Horvath, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP), quien estudia esas estrellas ultracompactas.

Según Horvath, las estrellas de neutrones poseen una corteza que mide algunos cientos de metros de espesor, compuesta por elementos químicos pesados, como es el caso del hierro. A una profundidad de 800 a 900 metros por debajo de la corteza, la materia alcanza una densidad tan alta que las partículas con carga negativa (electrones) existentes en la periferia de los átomos son presionadas contra las de carga positiva (protones) del núcleo atómico. Como resultado de ello, las mismas se anulan y originan partículas neutras: los neutrones, que quedan apretados unos contra otros. En regiones aún más profundas, la densidad aumenta y los neutrones podrían desintegrarse en algo desconocido. “El núcleo central de una estrella de neutrones es un misterio”, dice Horvath.

Varios modelos teóricos intentan prever cómo sería el interior de esas estrellas. Los mismos difieren en cuanto a la forma en que la densidad de la materia varía bajo efecto de la presión. La relación entre densidad y presión está definida por una fórmula matemática denominada ecuación de estado. “La obtención de la ecuación de estado de las estrellas de neutrones es un objetivo científico que seguramente alcanzaremos en las próximas décadas, mediante mejoras en la observación de las emisiones de rayos X y con la detección de mayor cantidad de ondas gravitacionales”, dice la física Raissa Mendes, profesora en la Universidad Federal Fluminense (UFF).

Una ola de descubrimientos
En 1916, Einstein anticipó la existencia de las ondas gravitacionales, pero recién en la década de 1950 los físicos se convencieron de que, si la relatividad general fuera correcta, ciertos cuerpos en movimiento acelerado transmitirían parte de su energía al espacio vacío, bajo la forma de ondas gravitacionales. Con todo, los cálculos revelaban que esas ondas serían débiles. Sólo aquellos cuerpos con una masa densa y gran cantidad de energía, acelerados a velocidades cercanas a la de la luz, emitirían ondas gravitacionales detectables por instrumentos terrestres.

Nasa Representación artística de los chorros de materia que habrían originado los pulsos breves de rayos gamma (en violáceo) registrados por el telescopio FermiNasa

En la década de 1970, un grupo pequeño de físicos se entusiasmó con el reto de detectar esas ondas. Así fue que Rainer Weiss, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, se convirtió en uno de los primeros en diseñar un esbozo de los detectores que darían origen al Ligo. Los trabajos teóricos de Kip Thorne, del Instituto de Tecnología de California (Caltech), y sus colaboradores, demostraron que un detector tal podría registrar las ondas gravitacionales emitidas durante la colisión de agujeros negros y de estrellas de neutrones en galaxias remotas. Le cupo a Barry Barish, del Caltech, la organización del consorcio científico internacional para la instauración del Ligo, una vez que se aprobó la construcción de los detectores en la década de 1990. El Premio Nobel de Física de este año reconoció el papel que cumplieron los tres en la creación del Ligo, que comenzó a operar en 2002 y, desde septiembre de 2015, detectó las ondas gravitacionales de cuatro colisiones de pares de agujeros negros, eventos que no emiten luz.

El choque de estrellas de neutrones detectado en el mes de agosto es diferente. En los años 1990, los científicos plantearon que ese evento podría ser el origen de las misteriosas explosiones de rayos gamma (gamma ray bursts o GRBs) de corta duración que habían sido detectadas por satélites desde la década de 1960.

Los pulsos de rayos gamma
De acuerdo con la teoría de la relatividad general, la inmensa fuerza gravitatoria del objeto resultante de la fusión de las estrellas atraería la materia de su entorno, generando un remolino. Esa materia, girando a velocidades cercanas a la de la luz, produciría en cada polo magnético del remolino que circunda a la estrella un chorro que lanzaría muy lejos partículas cargadas eléctricamente. Ese chorro duraría fracciones de segundo y generaría los pulsos cortos de rayos gamma que se detectan en la Tierra.

El 17 de agosto, menos de dos segundos después de las observaciones del Ligo y del Virgo, el telescopio espacial Fermi, de la NASA, registró una ráfaga de rayos gamma de corta duración proveniente de la región del espacio de donde vinieron las ondas gravitacionales, lo que comprueba ese postulado.

Las ondas gravitacionales ayudarán a determinar el comportamiento de la materia en el interior de las estrellas de neutrones

Horas más tarde, telescopios en tierra y en el espacio rastrearon la región e identificaron el surgimiento de una fuente de luz y de otras ondas electromagnéticas en la periferia de la galaxia NGC 4993. Los científicos sugieren que ese brillo habría sido emitido por una porción de materia estelar que, en lugar de ser succionada, fue lanzada al espacio. Esa violenta explosión, denominada kilonova, generó elementos químicos más pesados que el hierro. En los días siguientes, los observatorios notaron cómo el brillo de la kilonova disminuía y cambiaba de color, emitiendo luz visible, infrarroja y ultravioleta.

“Las emisiones de ondas de radio provenientes de la fusión de esas estrellas siguen registrándose”, explica Jessica McIver, física del Caltech que coordina un equipo del Ligo. “El registro coincidente de las ondas gravitacionales con la emisión de rayos gama confirma la hipótesis propuesta hace décadas que sugería que las GRB de corta duración se producen durante la fusión de estrellas de neutrones. Las ondas gravitacionales, la GRB de corta duración y la kilonova nos cuentan la historia completa de la materia eyectada durante la colisión y posterior fusión de las estrellas de neutrones”.

Los científicos del Ligo también recurrieron a las ondas gravitacionales registradas en el mes de agosto para recabar información sobre la relación entre densidad y presión en el interior de las estrellas de neutrones. Esa información podría depurarse mediante observaciones futuras que podrían detectar la colisión de un agujero negro con una estrella de neutrones. “El agujero negro generará una deformación mucho mayor, algo que aportará nuevas revelaciones acerca del interior de las estrellas de neutrones”, anticipa McIver. Esos registros adicionales ayudarán a entender cuán uniforme es la composición de las estrellas de neutrones y a esbozar un cálculo de la cantidad de elementos químicos pesados eyectada al espacio. “De esa manera”, explica, “podría determinarse qué tan cerca de una fusión de estrellas de neutrones habría estado el sistema solar para explicar la cantidad de oro y otros elementos que contiene la Tierra”.

Artículos científicos
ABBOTT, B. P.  et alMulti-messenger observations of a binary neutron star mergerThe Astrophysical Journal Letters. v. 848, n. 2. 16 oct. 2017.
ABBOTT, B. P. et alObservation of gravitational waves from a binary neutron star inspiralPhysical Review Letters. v. 119, 161101. 16 oct. 2017.

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