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En busca de la luz de las estrellas de neutrones

La carrera para descubrir el origen del fenómeno involucró a 70 observatorios y el ganador fue un telescopio pequeño y antiguo

El telescopio Swope, que dispone de un espejo de 1 metro de diámetro y funciona desde 1971 en Chile, fue el primero en hallar la galaxia donde ocurrió el evento

Carnegie Institution for Science

En el transcurso de los últimos 10 años, grupos de astrofísicos de todo el mundo ligados a observatorios instalados en tierra y en el espacio, tales como satélites y telescopios de diversos tipos, firmaron acuerdos con el consorcio científico Ligo-Virgo, los tres grandes detectores de ondas gravitacionales que se hallan en funcionamiento en la Tierra. Ni bien se registrase una señal con buenas posibilidades de ser ondas gravitacionales, la red de colaboradores sería informada, por medio de una circular, de la masa y la luminosidad estimada de los objetos celestes que podrían ser la fuente de tal evento y recibirían un mapa del firmamento con la probable localización del fenómeno. Su misión sería la detección en el espacio de una emisión de radiación electromagnética, alguna forma de luz, liberada por el mismo evento cósmico que originó las ondas gravitacionales.

Hasta mediados del mes de agosto de este año, se habían confirmado cuatro registros de ondas gravitacionales. Todos ellos provenían de fusiones de pares de agujeros negros, un tipo de fenómeno que no emitiría ninguna forma de luz. Tal como se sospechaba, la red de colaboradores del Ligo-Virgo no detectó que se generara radiación electromagnética en ningún caso. El evento que tuvo lugar el 17 de agosto fue diferente a todos los precedentes. Tuvo características únicas, que propiciaron su detección, localización y observación minuciosa. Por primera vez, los astrofísicos registraron las firmas cósmicas generadas por la colisión y fusión de un par de estrellas de neutrones.

ASA/ ESO Mapa estelar que muestra el área donde probablemente se produjo la colisión de estrellas, según los datos recabados por los satélites de rayos gamma Integral (en gris oscuro) y Fermi (en rojo) y por los detectores Ligo y Virgo (en naranja). La estrella dentro del área anaranjada representa a la galaxia NGC 4993ASA/ ESO

De acuerdo con datos teóricos, ese fenómeno debería generar, y realmente produjo, dos tipos de emisiones casi simultáneas: las tan esquivas ondas gravitacionales seguidas de una explosión energética visible en el rango lumínico de los rayos gama. “Era previsible que se registraran las ondas gravitacionales antes de la explosión de rayos gama”, explicó el físico Salvatore Vitale, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), uno de los científicos del Ligo, en el material de divulgación del hallazgo. “En primera instancia, las estrellas de neutrones se fusionan y, posteriormente, la materia se calienta y por lo tanto surge la radiación”. Luego de la explosión de rayos gamma, el primer tipo de luz que emana del fenómeno, también se generarían otras formas de radiación electromagnética, tales como luz en el espectro visible, rayos ultravioleta y ondas de radio. Pero para detectar esas otras manifestaciones de radiación se necesitaba localizar previamente el origen del fenómeno en el espacio.

La pista inicial de que había acaecido una colisión de estrellas de neutrones en algún lugar del Cosmos llegó a la Tierra a las 12 horas, 41 minutos y 4 segundos del 17 de agosto, según el huso horario internacional de referencia, que entonces estaba adelantado cuatro horas a la hora de Brasilia. Los tres detectores del consorcio Ligo-Virgo, dos de ellos ubicados en Estados Unidos y uno en Europa, registraron claras señales de lo que podrían ser ondas gravitacionales que, en apariencia, estarían originadas por el proceso de fusión de dos estrellas de neutrones. El Virgo, emplazado en los alrededores de la ciudad de Pisa, en Italia, que acababa de atravesar un proceso de remodelación y se encontraba funcionando desde hacía poco más de dos semanas, fue el primero en captar la anomalía, en forma muy débil. Veintidós milisegundos después, el detector del Ligo en Livingston, en el estado de Luisiana, también registró las ondas gravitacionales y, 3 milisegundos más tarde, fue el turno del detector gemelo del Ligo, en Hanford, en el estado de Washington, en captar la emisión. El observatorio de Hanford, el último que registró el fenómeno, fue el que captó la señal en forma más intensa y dio el primer aviso automático de que se había detectado un evento con posibilidades de generar ondas gravitacionales.

Una fugaz explosión de rayos gamma
Mientras los detectores de ondas gravitacionales procesaban la señal proveniente del espacio, dos satélites especializados en registrar explosiones de rayos gamma captaron un pequeño evento de este tipo. El Fermi, un telescopio espacial de la NASA que escanea todo el firmamento cada tres horas, detectó una explosión de rayos gamma 1,7 segundos después que los sensores del Ligo-Virgo registraron las ondas gravitacionales. Se emitió un alerta automático de dicha medición. Cada año, el Fermi detecta alrededor de 240 explosiones de rayos gamma, de las cuales 40 son de corta duración (menos de 2 segundos), como la del 17 de agosto. Esta breve explosión fue la más cercana a la Tierra que haya registrado ese instrumento de observación. El satélite Integral, un proyecto de la Agencia Espacial Europea (ESA) en colaboración con estadounidenses y rusos, también abocado a la detección de este tipo de eventos energéticos, confirmó la explosión observada por el Fermi. Esta casi concomitancia de los dos tipos de registros obtenidos, el de las ondas gravitacionales y el de la explosión de rayos gamma, dejaba pocas dudas de que, probablemente, ambos se habrían generado a partir de un mismo evento.

A las 13 horas, 21 minutos y 40 segundos, luego de las detecciones automáticas, se informó a la comunidad de astrofísicos mediante una circular rubricada por el consorcio Ligo-Virgo que se había detectado una probable emisión de ondas gravitacionales. El texto incluso hacía mención de la explosión de rayos gamma registrada por el satélite Fermi. Ése era el aviso que los colaboradores del Ligo-Virgo aguardaban para iniciar la búsqueda del lugar del Cosmos en donde se produjo la fusión estelar. Durante las horas siguientes, varias circulares actualizaron los datos al respecto del fenómeno.

Ayuda desde el punto ciego
Pero inicialmente, tan sólo a partir de los datos registrados por los satélites Fermi e Integral, el área del Espacio en donde habría ocurrido el evento era enorme, un obstáculo para determinar su ubicación exacta. Cuando se ajustaron las mediciones del Ligo-Virgo, la zona probable de origen del fenómeno quedó circunscripta a 28 grados cuadrados, el equivalente a 140 Lunas llenas vistas desde la Tierra. La distancia a la cual se produjo la colisión estelar también se conoció rápidamente, alrededor de 130 millones de años luz.

Pese al registro bastante débil de ondas gravitacionales que efectuó, el Virgo resultó importante para determinar el sector del cielo del hemisferio sur en que el evento ocurrió. A partir de esos datos y los aportados por los otros dos detectores, pudo utilizarse la técnica de la triangulación para delimitar el lugar de origen del fenómeno. “La amplitud y el momento en que registramos la señal se utilizaron para localizar su fuente”, comenta el físico holandés Jo van den Brand, de la Universidad Libre de Ámsterdam, portavoz del Virgo. Las ondas gravitacionales fueron captadas en forma tenue por el detector europeo porque la fusión de las estrellas de neutrones se produjo en una ubicación que es uno de sus cuatro puntos ciegos. “Ahora bien, no podemos decir cuál fue nuestro aporte más importante, pero sin el Virgo habría sido más difícil descubrir el lugar de origen de las ondas”, subraya el holandés.

Con las mejores coordenadas posibles para descubrir la fuente de las ondas gravitacionales y la explosión de rayos gamma, los grupos de astrofísicos con acceso a telescopios en el hemisferio sur se abocaron a la detección del origen del fenómeno. La competencia la ganó el equipo de la colaboración One-Meter Two-Hemispheres (1M2H), bajo la coordinación del astrofísico Ryan Foley, de la Universidad de California en Santa Cruz. El equipo, integrado por 17 científicos que participaron en el descubrimiento, se especializa en el estudio de la luz proveniente de supernovas, explosiones de estrellas supermasivas. Menos de 11 horas después de la detección de las ondas gravitacionales, Foley y su equipo detectaron la imagen de un nuevo punto luminoso en la periferia de la galaxia NGC 4993, situada en la constelación de Hidra. “Teníamos una estrategia bien definida: escrutar solamente donde hay galaxias, ya que es allí donde se encuentran las estrellas”, relata Foley. “La suerte ampara a quienes se hallan preparados y nosotros lo estábamos”. Había unas 50 galaxias en el área por escudriñarse.

La detección se logró con el Swope, un pequeño y antiguo telescopio óptico subvencionado por la Carnegie Institution, de Estados Unidos, en el Observatorio Las Campanas, ubicado a unos 600 kilómetros al norte de Santiago, la capital de Chile. El Swope, emplazado en la cima de una montaña con casi 2.400 metros de altura, se inauguró en 1971 y dispone de un espejo de 1 metro de diámetro. No obstante, el campo visual de su cámara es relativamente grande. El mismo permite observar una porción del cielo equivalente a 0,25 grado cuadrado, poco más que una Luna llena vista desde la Tierra. “No había forma de que no detectara [el punto]. Era como si uno pusiera un dedo delante de sus ojos”, exagera Foley. Mediante el uso de un telescopio bastante más potente, el Blanco, instalado en Cerro Tololo, también en Chile, el equipo coordinado por la física brasileña Marcelle Soares-Santos, de la Universidad Brandeis, tardó 10 minutos más que el grupo 1M2H en detectar el punto luminoso en la galaxia NGC 4993.

Alberto Molino El telescopio T80 Sur, un proyecto brasileño instalado en Chile, también registró el fenómenoAlberto Molino

Entre los casi 70 instrumentos terrestres y espaciales que pudieron observar durante dos semanas la emisión de radiación electromagnética derivada de la fusión de las estrellas de neutrones en diferentes longitudes de onda, otro telescopio pequeño, también instalado en el Cerro Tololo, contó con la participación de brasileños. Se trata del T80 Sur, que posee un espejo de 0,8 metro de diámetro, pero dispone de una cámara con un campo de visión ocho veces mayor que la del Swope. Eso lo torna ideal para barrer vastas áreas del firmamento en poco tiempo. “Obtuvimos los datos como parte de una red de pequeños telescopios, el consorcio Toros, que intenta localizar emisiones electromagnéticas asociadas a eventos que producen ondas gravitacionales”, explica la astrofísica Claudia Mendes de Oliveira, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP), mentora del T80 Sur.

El telescopio detectó la emisión óptica generada por la fusión de las estrellas de neutrones recién durante la segunda noche, luego de que su equipo recibiera las coordenadas del objeto por medio de varias circulares, alrededor de 35 horas después del primer aviso del Ligo-Virgo. “Tuvimos mala suerte. Durante la primera noche, escrutamos casi la mitad de esa área, pero comenzamos por el lado opuesto al que se encontraba la galaxia NGC 4993”, relata Mendes de Oliveira. De todos modos, el T80 Sur efectuó mediciones importantes y sus datos constan en dos artículos científicos publicados al respecto de las emisiones electromagnéticas generadas por la colisión de las estrellas de neutrones.

El T80 Sur funciona robóticamente y su control puede realizarse en forma remota, a partir de cualquier sitio del planeta. El dispositivo comenzó a funcionar regularmente hace seis meses, costó algo más de 2 millones de dólares y fue financiado por la FAPESP y el Observatorio Nacional (ON). Su función principal consiste en hacer un mapeo de los objetos celestes presentes en el hemisferio sur en 12 bandas espectrales diferentes, pero igualmente puede empleárselo para otros fines u objetivos eventuales, tal como ocurriera en el caso de la luz proveniente de la colisión de las estrellas de neutrones. En el segundo semestre de 2018, cuando los tres detectores de ondas gravitacionales, que en la actualidad no están funcionando, vuelvan a operar, el T80 Sur y el resto de los colaboradores del Ligo-Virgo tendrán una nueva posibilidad para detectar la radiación electromagnética emanada de eventos explosivos que hayan ocurrido en algún sitio del universo.

Proyecto
EMU: Adquisición de un telescopio robótico para la comunidad astronómica brasileña (nº 09/54202-8); Modalidad Apoyo a la Investigación – Programa Equipamientos Multiusuarios; Investigadora responsable Claudia Mendes de Oliveira; Inversión R$ 5.075.402,98

Artículo científico
DÍAZ, M. C. et al. Observations of the first electromagnetic counterpart to a gravitational-wave source by the TOROS Collaboration. Astrophysical Journal Letters. v. 848, n. 2. 16 oct. 2017.

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