Observan por primera vez una onda gravitacional y luz procedentes de la fusión de dos estrellas de neutrones

Astrónomos de todo el mundo, entre ellos españoles, han podido observar por primera vez tanto ondas gravitacionales como luz (radiación electromagnética) de un mismo evento, la fusión de dos estrellas de neutrones, lo que abre una nueva era en la observación del Universo.

En primer lugar, este hallazgo supone la detección de una quinta onda gravitacional, la primera detección de onda gravitacional con un origen diferente al de la colisión de agujeros negros, y la primera vez en la que se localiza y estudia la primera contrapartida visible (en ondas electromagnéticas) de una fuente de onda gravitacional.

Este descubrimiento se ha dado a conocer este lunes, 16 de octubre, en dos conferencias simultáneas (una en la sede central del Observatorio Europeo Austral o ESO, en Alemania; y otra en Washington organizada por la National Science Foundation), en las que se informaba de la presentación de nuevos avances sobre las ondas gravitacionales o, tal y como indicaba la Agencia Espacial Europea (ESA), «revolucionarias observaciones de un fenómeno astronómico nunca antes visto».

La detección de este fenómeno se produjo tan sólo tres días después de la identificación de la anterior onda gravitacional (la cuarta), e implicó a científicos de todo el mundo.

Las ondas gravitacionales son deformaciones/ondulaciones del espacio-tiempo producidas por un cuerpo masivo acelerado. Predichas por Albert Einstein hace cien años, la primera vez que científicos observaron un onda gravitacional fue el 14 de septiembre de 2015. Tanto esta primera onda detectada como las tres que se observaron después fueron generadas por la colisión de dos agujeros negros. Este descubrimiento se hizo con el Nobel de Física 2017, concedido a los estadounidenses Rainer Weiss, Barry C. Barish y Kip S. Thorne por sus contribuciones a la observación de estas ondas.

El 17 de agosto de 2017, a las 12:41:04 horas UTC (14:41:04 horas, hora peninsular), el instrumento LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), en Estados Unidos, en colaboración con el interferómetro Virgo, ubicado en Italia, detectaba una quinta onda gravitacional, a la que denominaron GW170817.

Por otro lado, los observatorios Fermi (de la NASA) e INTEGRAL (de la ESA) detectaban un estallido corto de rayos gamma (un GRB, por sus siglas en inglés) –uno de los eventos electromagnéticos más luminosos del universo–, que científicos de todo el mundo comenzaron a investigar, entre ellos del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC). Esta explosión fue detectada ese mismo día y tan sólo dos segundos después de que LIGO y Virgo detectaran la onda gravitacional.

Al caer la noche en Chile, muchos telescopios ubicados en observatorios de este país observaron el parche de cielo donde LIGO-Virgo ubicó la fuente de esta quinta onda gravitacional, y fue el telescopio Swope de un metro el primero en anunciar un nuevo punto de luz, que parecía muy cercano a la galaxia lenticular NGC 4993, en la constelación de Hydra (a unos 130 millones de años luz). Las observaciones de VISTA identificaron esta fuente en longitudes de onda infrarrojas casi al mismo tiempo.

Cuando la noche avanzaba hacia el oeste por todo el globo, los telescopios de la isla de Hawai Pan-STARRS y Subaru también recogieron este punto de luz y vieron cómo evolucionaba rápidamente. Cerca de 70 observatorios de todo el mundo llegaron a observar el evento, como el Very Large Telescope (VLT), el New Technology Telescope (NTT), el telescopio MPG/ESO de 2,2 metros, ALMA y el Telescopio Hubble (NASA/ESA).

Los más cercanos observados

Las estimaciones de distancia de todas estas observaciones permitieron ver que esta explosión de rayos gamma estaba asociada con la fuente emisora de la onda gravitacional en la galaxia NGC 4993. La ubicación de esta fuente a 130 millones de años luz indica que tanto este quinto evento de onda gravitacional, como el de estallido de rayos gamma, son los más cercanos detectados hasta el momento.

Al ser estas detecciones casi simultáneas, los científicos albergaron la esperanza de que lo que estaban observando era una kilonovae o kilonova, tipo de explosión producida por la fusión de dos estrellas de neutrones, ya que hace casi 30 años se predijo que una fusión de dos estrellas de neutrones produciría un estallido corto de rayos gamma (GRB) y ondas gravitatorias. Las observaciones finalmente han confirmado esta teoría, con lo que esta es la primera observación confirmada de una kilonova.

Elementos químicos pesados

Tras esta fusión de estrellas de neutrones, se desprende una ráfaga de elementos químicos pesados radiactivos que se expanden y mueven rápidamente, a un quinto de la velocidad de la luz. Tanto Spectra de ePESSTO, de la ESO, como el instrumento X-shooter del VLT sugieren la presencia de cesio y telurio expulsados de las estrellas de neutrones que se fusionan.

Estos y otros elementos pesados, producidos durante la fusión de las estrellas de neutrones, serían expulsados al espacio por la kilonova posterior. Estas observaciones determinan la formación de elementos más pesados que el hierro a través de reacciones nucleares dentro de objetos estelares de alta densidad, conocidos como nucleosíntesis de ‘proceso r’, algo con lo que sólo se teorizó.

Sin embargo, existen discrepancias sobre este proceso que tiene lugar en eventos estelares explosivos y es responsable de la producción de la mitad de los elementos más pesados que el hierro, entre ellos el uranio y el plutonio. Aunque en un principio se pensaba que eran las supernovas la fuente de estos elementos, los últimos estudios apuntan a que son las fusiones de estrellas de neutrones –y su evento posterior, kilonovae– las principales productoras de los elementos más pesados, como el oro y el platino

El hallazgo y estudio –que se publica en ‘Nature’ y en diversos ‘papers’– tanto de las ondas gravitatorias como de la luz de este fenómeno, ha permitido desvelar muchos de los procesos físicos involucrados en la fusión y establecer un cuerpo de conocimiento único de un objeto celeste: las ondas gravitatorias han revelado su masa, rotación, distancia y posición en el cielo, en tanto que las ondas electromagnéticas han permitido estudiar su entorno (una galaxia envejecida que, posiblemente, se fusionó con otra en su pasado reciente), así como la hidrodinámica y la formación de elementos en el material expulsado.

Además, más allá de esto, esta investigación ha permitido obtener una medida independiente de la constante de Hubble, que mide la tasa de expansión del universo.