Detectar las primeras ondas gravitatorias producidas por la colisión de estrellas de neutrones

Hace unos 130 millones de años , dos estrellas muertas chocaron violentamente, provocando una serie de eventos que provocaron el frenesí de la investigación en el mundo astronómico durante los últimos dos meses.

La primera detección de ondas gravitatorias producidas por la colisión de dos estrellas de neutrones se anunció en diversas conferencias celebradas en distintos continentes.

Todo lo que necesitas saber sobre las ondas gravitatorias

Las ondas gravitatorias, predichas por primera vez por Albert Einstein en 1916, son distorsiones en el tejido del espacio y el tiempo causadas por eventos cósmicos extremadamente violentos. Hasta ahora, todas las detecciones confirmadas han implicado la colisión de dos agujeros negros, que no dejan rastro visible en el cielo.

Más sobre Einstein: la ciencia demuestra que Einstein tiene razón… De nuevo

Pero para este último fenómeno, los equipos utilizaron unos 100 instrumentos en unos 70 observatorios para seguir y observar el cataclismo a distintas longitudes de onda de luz, lo que permitió a los astrónomos estudiar la fuente de estas ondas cósmicas por primera vez

‘Observamos un fenómeno totalmente nuevo que los humanos nunca habían visto antes’, dice Andy Howell de la Universidad de California, Santa Bárbara. ‘Es algo impresente pensar que esto podría no volver a suceder nuestra vida’.

A diferencia de la colisión de agujeros negros, la colisión entre estrellas de neutrones expulsa ecos metálicos radiactivos que pueden detectar telescopios mediados, si se tiene que ver y dónde buscar.

‘Detectamos que el universo temblaba debido a la fusión de dos estrellas de neutrones y fue entonces cuando lo revelamos y qué era para orientar nuestros telescopios’, explica Howell, cuyo equipo era uno de los muchos que perseguía estas estrellas atadas a las ondas. señal gravitacional

En esta ilustración, dos estrellas de neutrones giran una hacia otra, deformando el tejido del espacio y el tiempo. Foto de NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet (ilustración)

En última instancia, unas 3.500 personas estuvieron involucradas en la detección de ondas gravitatorias y la posterior investigación forense astrofísica. Los resultados de este gigantesco proyecto se han publicado hoy en 40 estudios en diversas revistas científicas, entre ellas Science and Physical Review Letters.

En conjunto, las observaciones están ayudando a los astrónomos a probar algunas teorías físicas tradicionales ya resolver el debate sobre dónde se originaron el oro y otros elementos pesados ​​en el espacio. Estos descubrimientos llevaron a la creación de un nuevo campo de astronomía de ondas gravitatorias.

‘Esta es la primera vez que detectamos una espiral de muerte entre dos estrellas de neutrones y también vemos los fuegos artificiales que siguen la fusión final’, dijo Vicky Kalogera, de la Northwestern University, en una conferencia de prensa en Washington el 20 de diciembre. .

Empieza la aventura

Las primeras pruebas de la existencia de ondas gravitatorias, aunque indirectas, aparecieron en 1974 . Sin embargo, detectar las ondas directamente ha sido una tarea difícil durante décadas porque la distorsión espacio-tiempo que provocan en la Tierra es pequeña : una fracción de la anchura de un núcleo atómico.

El mapa del cielo muestra las detecciones confirmadas de ondas gravitatorias hasta ahora y un candidato. Los bordes indican dónde el espacio-tiempo se ha arrugado por cada fenómeno, y los números indican la fecha de detección. El evento más reciente, GW170817, se registró en 2022. 17 de agosto Foto: Ligo, Virgo, NASA, Leo Singer, Axel Mellinger

Para intentar ver estos cambios ridículamente pequeños en el cosmos, los investigadores han creado el Observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser y LIGO. Los detectores gemelos del observatorio utilizan láseres para medir la variación mínima de la distancia entre pares de espejos causada por el paso de las ondas gravitatorias en la Tierra. Un tercer detector, gestionado por el equipo europeo de Virgo , hace lo mismo.

en 2022 A principios de 2018, los científicos de LIGO anunciaron un avance: sus instrumentos ultraprecisos finalmente capturaron un rastro. Desde entonces, LIGO ha confirmado otros tres fenómenos , cada uno causado por la colisión de agujeros negros, y los líderes del equipo han sido galardonados con el Premio Nobel de Física 2022 .

Relacionado: Explicamos qué son las ondas gravitacionales, cuya detección fue premiada en 2022. Premio Nobel de Física

Sin embargo, a primera hora del 17 de agosto los detectores LIGO detectaron algo nuevo esta mañana. Las ondas gravitacionales que cambiaron la distancia entre estos dos pares de espejos tenían signos reveladores de que su fuente no eran agujeros negros, sino estrellas muertas fundidas.

Dos segundos después de que estas señales llegaran a los detectores de LIGO, el telescopio de rayos gamma Fermi de la NASA detectó un estallido de rayos gamma originados de la misma región general del cielo que la señal LIGO. El flash, que duró sólo unos segundos, parecía ser un breve estallido de rayos gamma, una explosión cósmica que se cree que fue causada por la colisión de estrellas de neutrones.

¿Oportunidad? El equipo LIGO-Virgo no lo pensó. Enviaron el equivalente a una señal de murciélago para alertar a los observadores de que, si actuaban rápidamente, podrían sondear los restos dejados por la destrucción mutua de estrellas y observar por primera vez sus consecuencias: la creación de ondas gravitatorias.

Esta señal ha llevado a otros equipos planetarios a trabajar para ayudar a unir las piezas de este rompecabezas cósmico. Lo más importante, los equipos debían saber hacia dónde apuntar todos sus equipos sofisticados.

caza de galaxias

Aquí es donde entra Charlie Kilpatrick, estudiante de doctorado en la Universidad de California, Santa Cruz. Tras detectar la onda gravitatoria y los rayos gamma, Kilpatrick y sus colegas rápidamente se pusieron a trabajar en busca de numerosas galaxias en la misma región que la fuente de las nuevas señales.

Una imagen del telescopio espacial Hubble muestra la galaxia oval NGC 4993 cuatro meses antes de la detección de ondas gravitatorias (izquierda) y el punto rojo apareciera en la galaxia en 2022 en agosto (derecha). Foto de Hubble/STScI y el equipo 1M2H/UC Santa. Observatorio Cruz Carnegie/Ryan Foley

Tenían un modesto telescopio en el suelo en Chile y, en cuanto el cielo chileno se oscureció, decidieron apuntarlo a cada una de estas galaxias y buscar signos de actividad. Pero había que ser rápido: ese pedazo de cielo sólo era visible durante una hora o dos antes de hundirse bajo el horizonte.

Unas 10 horas después de la emisión de la alerta LIGO-Virgo, la quinta galaxia Kilpatrick analizada mostró un resplandor que nunca había visto antes, una señal muy tentadora de que algo estaba ocurriendo. El equipo envió un telegrama alertando a los demás del descubrimiento. En 42 minutos, la galaxia fue detectada por otros cinco grupos , incluido Howell.

‘Poco a poco empecé a darme cuenta de la importancia de esto’, dijo Kilpatrick.

Durante los días posteriores, una flota de observatorios se unió a la diversión. Durante la semana, la fuente de la onda gravitacional, busca delímite de una galaxia en forma ovalada llamada NGC 4993 , era la más observada del firmamento.

En esta región del espacio, dos estrellas de neutrones habían bailado en espiral una alrededor de otra a lo largo de los años, una danza destinada a acabar con una segunda muerte aún más violenta. Tras millones de años de preparación, su colofón mortal fue tan intenso que deformó y distorsionó el tejido cósmico espacio-temporal, generando ondas gravitacionales que finalmente alertan a los nuestros de su muerte.

El origen de los elementos pesados

Gracias al trabajo rápido de estos exploradores astronómicos, los científicos pudieron estudiar la explosión en todo el espectro electromagnético , desde las ondas de radio hasta los rayos gamma.

Utilizando los telescopios Swope y Magallanes en Chile, los astrónomos registraron la explosión de estrellas de neutrones cuando aparecían de repente como un punto brillante visible (izquierda) y después se desvanecieron (derecha). Después de una semana, ese punto ya no era detectable por las longitudes de onda visibles. Foto de equipo 1m2h, UC Santa Cruz Observatorios Carnegie, Ryan Foley

La colisión pone fin a un largo debate sobre los orígenes de los elementos pesados ​​de la tabla periódica: metales preciosos, como el oro y el platino , y materiales como el neodimio , que los científicos utilizan para construir láseres como LIGO.

Durante mucho tiempo, los científicos creyeron que estos metales eran principalmente los culpables de los vientres de las estrellas masivas que explotaban. Pero investigaciones recientes han demostrado que estas supernovas no vierten suficiente material en el espacio para explicar lo que observamos.

La creación de estos elementos requiere un exceso de neutrones , una de las partículas que forman el núcleo de los átomos. Como cabe esperar, se liberan en grandes cantidades durante la desintegración de las estrellas de neutrones.

Examinando la explosión en luz infrarroja, los equipos determinaron que los residuos contenían al menos 10.000 elementos preciosos de la Tierra , más que suficientes para sembrar el cosmos en estas cantidades.

‘De hecho, estos fenómenos pueden explicar todo el oro y los elementos pesados ​​del universo actual’, dice Enrico Ramírez-Ruiz, de la Universidad de California, Santa Cruz. Los avistamientos, dijo, “son escalofriantes; el nivel y la calidad de los datos es increíble.

Pero otras partes de la historia que nos cuentan estos fenómenos están todavía rodeadas de misterio. En primer lugar, todavía no sabemos lo que queda después de la colisión de dos estrellas de neutrones. Todo lo que sabemos es que los residuos de esta colisión son 2,6 veces la masa del Sol.

Con esta masa y estas estrellas de neutrones primordiales, casi seguro que es un agujero negro , dice Feryal Ozel de la Universidad de Arizona. Otras posibilidades menos probables incluyen una estrella de neutrones hipermasiva anómala; Pero ese tipo de objeto cambiaría radicalmente lo que los científicos saben sobre la física de las estrellas de neutrones.

No más incógnitas por resolver

Independientemente de su identidad, los residuos de la colisión plantean muchas preguntas sobre los objetos más densos del universo que conocemos.

‘Nadie ha observado nunca una estrella de neutrones o un agujero negro con una masa correctamente medida entre 2 y unas 5 masas solares ‘, dice el miembro del equipo LIGO Alan Weinstein de Caltech.

Además, la explosión y sus consecuencias no fueron exactamente cómo estaba previsto. Según Mansi Kasliwal de Caltech, el estallido de rayos gamma fue relativamente débil y los rayos eran mucho más débiles que eventos similares anteriores. Además, los rayos X y las ondas de radio tardaron más de lo previsto en llegar a los detectores tras la explosión.

Esto podría significar que los chorros de radiación de alta velocidad expulsados ​​por la explosión no estaban dirigidos directamente a la Tierra, sino ligeramente desviados de su camino, según Daryl Haggard de la Universidad McGill, cuyo equipo utilizó el Observatorio Chandra Ray X para observar la colisión.

O quizás podría significar que está pasando algo más complicado. Quizás, según Kasliwal, una especie de capullo de restos llenos de energía expulsada por el estallido habría ahogado una hipotética ráfaga que se habría producido inicialmente. Los científicos esperarán que las observaciones continuas de las ondas de las ondas de la radio, que deben ser visibles más tiempo, ayudan a resolver esta incógnita.

‘Aunque los programas de radio se unan a la fiesta tarde, serán los últimos en salir, ¡y vienen cargadas de regalos!’, dice Gregg Hallinan de Caltech.

Las observaciones de las finales de diciembre, realizadas después de más de 100 días de datos radiofónicos, apoyarían la hipótesis de una tormenta ahogada por el resto de la cabeza. Esto plantó la pregunta de si se ha fusionado en realidad a los responsables de los brotes de rayos gamma cortos. El equipo que informó de los resultados, publicado el pasado 20 de diciembre en la revista Nature, sugiere que la colisión de estrellas de neutrones puede ser responsable de un tipo de explosión astrofísica fugaz que no se había reconocido antes.

De momento, las observaciones futuras tendrán que esperar: la posición de la galaxia en el cielo está actualmente tan cerca del Sol que sería peligroso que algunos telescopios la observaran. A medida que se aleje del resplandor de nuestra estrella, los telescopios volverán a apuntarle para ver los últimos restos de la explosión.

Mientras, los astrónomos celebrarán su éxito al ver la explosión con tanto detalle.

‘Estas cosas estallaron hace 130 millones de años’, dice Maria Drout, de los Observatorios Carnegie. “Pero si hubiera pasado un mes después, no habríamos podido verle. Los detectores habrían sido apagados y más allá del Sol.

Vídeo relacionado:
Conoce al autor, Susan McDonald
Susan McDonald

Susan McDonald se especializó hace años en el avistamiento y el estudio de estrellas. Nos ha demostrado la importancia del cálculo algorítmico y la precisión para analizar los astros, y ha redactado los mejores artículos de la web para estudiarlas. Practica meditación y trabaja en un centro de astrología cerca de su ciudad.

¡Haz clic para puntuar esta entrada!
(Votos: 0 Promedio: 0)