Observada una nueva fuente de ondas gravitacionales

Colaboraciones de 60 observatorios instalados en distintos países, Brasil inclusive, realizan la primera observación electromagnética de la fusión de dos estrellas de neutrones que generó ondas gravitacionales

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – El aporte a la detección de ondas gravitacionales les redituó a los físicos estadounidenses Rainer Weiss, Barry Barish y Kip S. Thorne el premio Nobel de Física de este año. Y ahora, un grupo integrado por más de 3.000 astrónomos, 60 de ellos de Brasil, ha logrado observar por primera vez en la luz visible una fuente de esas oscilaciones del espacio-tiempo previstas por Albert Einstein (1879-1955) hace un siglo.

El grupo, del cual forma parte el trío ganador del Nobel, anunció en un artículo publicado en octubre en The Astrophysical Journal Letters que había realizado las primeras observaciones en diversas bandas electromagnéticas de una fusión de dos estrellas de neutrones, cuerpos celestes extremadamente densos originados a partir de la implosión del núcleo de estrellas gigantes.

Este evento generó ondas gravitacionales registradas por el Observatorio Interferométrico de Ondas Gravitacionales (LIGO, en inglés), en Estados Unidos, y por el Virgo, en Italia, en agosto de este año. Es la primera vez que se detecta luz asociada a un evento de ondas gravitacionales. 

El descubrimiento también apareció descrito en otro artículo de The Astrophysical Journal Letters que lleva la firma de un grupo de 55 astrónomos, 17 de ellos Brasil, vinculados a los Institutos de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) y de Física (IF) de la Universidad de São Paulo (USP), del Observatorio Nacional (ON) y de las universidades federales de Sergipe (UFS), de Santa Catarina (UFSC) y de Río de Janeiro (UFRJ).

Los investigadores brasileños participaron en el estudio en colaboración con pares de Estados Unidos, Argentina, Chile, España y Alemania mediante observaciones realizadas con el telescopio robótico T80-Sur, construido con el apoyo de la FAPESP e instalado en el Observatorio Internacional de Cerro Tololo, en Chile.

“Es la primera vez que se obtuvo la contrapartida óptica [la identificación de un objeto en la luz visible] de un evento de ondas gravitacionales. Las cuatro detecciones de ondas gravitacionales anteriores se habían realizado desde colisiones y fusiones de agujeros negros, que no emiten radiación electromagnética y, debido a ello, no había sido posible obtener la contrapartida de lo visible del evento que las generó”, declaró Claudia Lucia Mendes de Oliveira, docente del IAG-USP y una de las autoras del estudio, a Agência FAPESP.

Desde el anuncio realizado en febrero de 2016 de la primera detección de ondas gravitacionales generadas por la colisión y la fusión de dos agujeros negros en el marco de la colaboración LIGO, astrónomos de diversos países, que trabajan en diferentes rangos del espectro electromagnético (radio, visible, rayos X y rayos gamma), han venido intentando obtener la contrapartida electromagnética de un evento generador de ondas gravitacionales.

La atención de los científicos con respecto a esta posibilidad se redobló debido a una alerta que se emitió el 17 de agosto de este año desde los observatorios LIGO y Virgo de que una fusión de estrellas de neutrones podría haber generado las ondas gravitacionales registradas por sus detectores.

Dicho evento habría ocurrido en un punto de la galaxia llamada NGC 4993, localizada en la constelación austral de Hidra, a 130 millones de años luz de la Tierra. La emisión de ondas gravitacionales desde las estrellas de neutrones en fusión ocurrió alrededor de 2 segundos antes de la observación de un chorro de rayos gamma detectado por el telescopio espacial Fermi, de la Nasa, la agencia espacial de Estados Unidos.

A partir de ese conjunto de pistas, astrónomos que toman parte en colaboraciones de 60 observatorios situados en diferentes partes del mundo empezaron a hacer un barrido de una gran área del cielo –equivalente a aproximadamente 60 lunas llenas–, en todo el espectro electromagnético, con el fin de identificar un objeto cuya emisión visible o brillo estuviera decayendo. Dicho objeto, denominado transiente óptico, podría haber sido producido por una fusión de estrellas de neutrones.

Un equipo de astrónomos usuarios del telescopio Swope, situado en el Observatorio Las Campanas, en Chile, fue el primero que reportó la detección del transiente óptico, menos de 11 horas después de la fusión de las estrellas de neutrones.

Pocos minutos después de la detección del transiente óptico desde el telescopio chileno, otros cinco equipos vinculadas a otros telescopios también anunciaron haberlo hallado en forma independiente.

“Recibimos la información de la detección del transiente óptico en la galaxia NGC 4993 el 18 de agosto. Como el T80-Sur es un telescopio autónomo, pues puede apuntárselo hacia una nueva fuente en algunos segundos, logramos efectuar rápidamente las observaciones del objeto en tres filtros, conocidos como filtros G, R e I”, dijo Mendes de Oliveira.

Son más de 20 investigadores vinculados al Observatorio Pierre Auger los que participaron en las observaciones descritas en el primer artículo, que reúne a más de 3.000 autores. Los científicos de la colaboración Auger realizaron una búsqueda de neutrinos provenientes de la dirección de la galaxia NGC 4993 –donde ocurrieron las ondas gravitacionales–, pero no encontraron este tipo de partículas.

"El hecho de que no hayamos observado neutrinos provenientes de la dirección de la NGC 4993 también es importante para la comprensión del fenómeno observado", dijo Carola Dobrigkeit, docente del Instituto de Física de la Unicamp y una de las autoras del artículo. 

Cataclismos

De acuerdo con los investigadores, las observaciones del transiente óptico en todas las longitudes de onda avalan la hipótesis de que el objeto se produjo debido a la fusión de dos estrellas de neutrones. Las estrellas fueron localizadas en la región de la galaxia NGC 4993, justamente donde se registraron las ondas gravitacionales detectadas por los observatorios LIGO y Virgo.

Durante la fusión de las estrellas de neutrones –que correspondería a eventos conocidos como kilonova, según los investigadores–, ocurrió una explosión de rayos gamma de corta duración y la emisión de radiación electromagnética debido a la descomposición de iones pesados generados por procesos R (proceso de captura rápida de neutrones) durante la fusión, según explicaron los investigadores.

“Sabíamos que existían esos objetos, pero no sabemos mucho sobre ellos. Con las nuevas observaciones es posible medir el proceso R y estimar la cantidad de elementos formados para comparar con modelos”, dijo Mendes de Oliveira.

Las observaciones también permitirán responder diversas preguntas sobre las propias estrellas de neutrones. Son estrellas muertas, que no producen más energía interna por fusión nuclear, y corresponden a uno de los posibles estadios finales de la vida de las estrellas de alta masa. Se crean cuando estrellas con masas mayores a ocho veces la del Sol pasan por una explosión de supernova, un evento astronómico que ocurre durante los estadios finales de la evolución de algunas estrellas, caracterizado por una explosión muy brillante.

“Las estrellas de neutrones tienen propiedades físicas especiales, y cuando se funden ocurren procesos nucleares a altas energías que aún no logramos entender bien. Estas observaciones pueden suministrar más información para entender mejor estos procesos”, dijo otro autor del estudio, Alberto Molino Benito, quien realiza un posdoctorado en el IAG con beca de la FAPESP.

Puede leerse el artículo intitulado Multi-messenger observations of a binary neutron star merger, de B. P. Abbott y otros, en The Astrophysical Journal Letters, en el siguiente enlace: iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa91c9. 

Y el artículo Observations of the first electromagnetic counterpart to a gravitational wave source by the Toros Collaboration puede leerse en el sitio web de The Astrophysical Journal Letters, en: iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa9060.