Hace 130 millones de años, dos estrellas de neutrones que formaban un sistema binario en una galaxia de la constelación de Hydra colisionaron creando un cataclismo cósmico. A las 12:41 hora universal del 17 de agosto de 2017, físicos pertenecientes a dos grandes experimentos con tres instrumentos de tamaño descomunal (los detectores LIGO en EE. UU. y VIRGO en Italia), midieron las perturbaciones que la colisión produjo en la curvatura del espacio-tiempo. El evento duró más de 100 segundos.
No fue la primera vez que se detectaron ondas gravitacionales (ya se habían encontrado 4 colisiones de agujeros negros de decenas de masas solares y el Premio Nobel de Física de 2017 fue entregado a los científicos que hicieron posible la construcción de los instrumentos y realizar las detecciones) pero por varias razones fue uno de los descubrimientos más extraordinarios de la historia. En esta breve nota trataré de explicar por qué.
Cuando un objeto se acelera, modifica ligeramente la estructura métrica del espacio-tiempo a su alrededor. Lo que cambia, dicho en forma sencilla, son las distancias y los lapsos de tiempo. Cuando los objetos y las aceleraciones son pequeños, los cambios son por completo imperceptibles. Pero cuando son extremos, los perturbaciones pueden ser colosales y transportar una enorme cantidad de energía (del orden del 10% de la energía equivalente de las masas en reposo del sistema) a través de todo el universo. Son esas perturbaciones las que detectan LIGO y VIRGO.
Hasta ahora solo habían medido colisiones de agujeros negros, los objetos más compactos del cosmos. Son tan compactos que no están hechos de materia ordinaria, sino solo de espacio-tiempo totalmente curvado sobre sí mismo. Los agujeros negros al chocar no emiten luz sino que se fusionan, dando lugar a un agujero negro mayor, y producen ondas de gravedad.
Hay otros objetos compactos en el universo además de los agujeros negros que también pueden producir cantidades apreciables de radiación gravitacional si colisionan: existen las estrellas de neutrones. Se tratan de estrellas que han colapsado hasta adquirir la densidad del núcleo de un átomo. Tienen masas similares a la del Sol, pero un radio de unos 10 km. Sus campos magnéticos también pueden ser enormes: un billón de Gauss, o sea 10 millones de veces más que el campo magnético más grande generado por el ser humano.
Como estas estrellas son menos masivas que los agujeros negros encontrados hasta ahora, la intensidad de las ondas que producirían al chocar y fusionarse es menor y el evento solo se podría medir en caso de que fuese cercano. La probabilidad de que algo así suceda cerca de nuestra galaxia es baja, y por eso los científicos debieron esperar dos años hasta que finalmente ocurriera.
A diferencia de los agujeros negros, las estrellas de neutrones están hechas de materia “normal”: neutrones formando un superfluido que da lugar al objeto más denso que existe en el universo. Cuando tales estrellas chocan, deben arrojar escombros que brillan emitiendo luz de todas las longitudes de onda.
Eso es exactamente lo que sucedió. Dos segundos después de que la señal gravitacional fue encontrada por el «disparador» automático del detector de LIGO en Hanford, el telescopio espacial de rayos gamma Fermi, de la NASA, midió una ráfaga de fotones de alta energía llamada gamma-ray burst (“fulguración de rayos gamma”). En cuestión de minutos, los investigadores de los detectores de Livingston confirmaron la señal gravitatoria en sus datos. VIRGO no vio la señal, que ocurrió en una región del cielo que corresponde a su “punto ciego”.
Eso, exactamente, fue lo que ayudó a localizar la posición del suceso en el cielo, ya que el satélite Fermi no puede hacerlo con gran precisión. En cuestión de horas, cinco grupos identificaron una nueva fuente de luz en la periferia de la galaxia NGC 4993, que vieron pasar del azul brillante al rojo oscuro en unos pocos días. Casi 2 semanas después, la fuente comenzó a emitir rayos X y ondas de radio. Al final, más de 70 observatorios estudiaron el evento, en lo que probablemente fue el suceso astronómico más investigado de la historia de la ciencia.
La cantidad de hechos que se han podido establecer a partir de estas detecciones es asombroso.
La observación de las ondas gravitacionales permitió establecer la masa de las estrellas: 1,1 y 1,6 masas solares, y la observación de los rayos gamma y la radiación siguiente mostró que se trata de estrellas de neutrones. Esto prueba una teoría sostenida por los astrofísicos sobre el origen de los misteriosos gamma-ray bursts: aquellos que son de corta duración se originan en la colisión de estrellas de neutrones.
Además, la observación del decaimiento de la luz óptica y la determinación de sus espectros permitió probar que esas colisiones van acompañadas de un evento conocido como kilonova: una explosión semejante a una supernova donde se sintetizan los elementos más pesados que el hierro. El oro y el platino que encontramos en la Tierra se han originado en antiguas explosiones de esta clase. El oro de la cadena o anillo del lector alguna vez fue producido al chocar dos estrellas de neutrones en nuestra galaxia.
Por primera vez se ha detectado al mismo tiempo un suceso astronómico usando luz y ondas gravitacionales. Esto prueba que ambas viajan a la misma velocidad… como Einstein predijo.
El tener la distancia exacta de la fuente debido a las observaciones ópticas y al mismo tiempo contar con las mediciones de las ondas gravitacionales permite inferir que el espacio se expande y se puede medir la velocidad con que lo hace, corroborando en forma independiente los datos inferidos por los satélites WMAP y Planck.
La naturaleza de los gamma-ray bursts, el origen de las kilonovas, la producción de los más elementos pesados, la expansión del espacio-tiempo, la velocidad de las ondas de gravedad, todo esto fue establecido con la observación de un solo evento.
Como si eso fuera poco, de los detalles de las observaciones muchos otros hechos de interés astrofísico pueden ser inferidos. Mientras se celebraban las conferencias de prensa que anunciaban al mundo estos descubrimientos en Washington D.C. y Garching, Alemania, decenas de trabajos científicos comunicando los nuevos resultados eran enviados para su publicación a las más prestigiosas revistas.
El principal de ellos, enviado a The Astrophysical Journal Letters, tiene 4.600 autores. Es el trabajo más multitudinario de la historia de la ciencia. En los anales de la astronomía, el 17 de agosto de 2017, sin duda, será un día para recordar.
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Columnista y miembro del Consejo Directivo de Ciencia del Sur. Doctor en física por la Universidad Nacional de La Plata (UNLP). Actualmente es Investigador Superior del CONICET, Argentina y director del Instituto Argentino de Radioastronomía (CONICET, CICPBA, UNLP). Además, se desempeña como Profesor Titular de Astrofísica Relativista en la UNLP. A la par de su trabajo como científico, es investigador en filosofía. Entre sus libros se destacan Introduction to Black Hole Astrophysics (con G.S. Vila, Springer 2014) y Scientific Philosophy (Springer, 2018). En 2019 fue nombrado Graduado Ilustre de la UNLP.
Dirige un grupo de investigación de más de 20 personas que trabajan en astrofísica, cosmología y teoría de la gravedad. Es uno de los científicos más influyentes de la Argentina por su productividad académica.
Buenísimo profe, es la primera nota que encuentro en español, muy buena nota
Gustavo, lo que queda de la fusión de esas dos NS es un agujero negro?
Alejandro: No está claro que quedó. Lo más probable es un agujero negro de unas 2 masas solares, pero no es posible descartar la posibilidad de una «super» estrella de neutrones. Semejante objeto, de existir, sería inestable y debería implosionar con el tiempo a un agujero negro.
Gracias!
Interesantisimo. Estamos los que consideran valiosos estos conocimientos
Excelente la nota, y fantástico lo descubierto.
Me quedó una duda, la referencia al evento de hace 130 millones de años que se hace al inicio de la nota, es el mismo del cual se realizaron estos estudios? (es decir, este hecho que recién se pudo observar ahora ocurrió en ese entonces?)
Guillermo, en efecto: la luz (y las ondas de gravedad) tardaron 130 millones de años en llegar a nosotros.
Gustavo, como faço para me comunicar com você? Tenho dúvidas que me paralisam sobre alguns assuntos metafísicos filosofia científica relacionados com a relatividade geral.
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