Colisión de estrellas de neutrones y ondas gravitacionales: el comienzo de una nueva era

Imagen de portada: ESO/A.J. Levan, N.R. Tanvir

Junte todas las siglas científicas de astronomía y astrofísica que se le ocurran: ESO, VIRGO, LIGO, VLT, ALMA, NASA, ESA, NSF, ANI, RRHH, LTA, MPC... Todas están metidas en esto. Pocas veces se podría reunir tanto cacumen para una aventura científica como esta. Y todo pasó por chiripa en verdad.

¿Qué sucede?

El observatorio de ondas gravitacionales LIGO «observó» el 17 de agosto de este año un tren de ondas gravitacionales. Otro observatorio del mismo tipo, VIRGO, en el país de los hermanos Mario Mario y Luigi Mario, hizo lo mismo. El tren de ondas gravitacionales, generado a 130 millones de años luz de distancia de la Tierra, era el quinto evento del tipo que había sido reportado por la colaboración LIGO-VIRGO. Aunque, luego de la primera detección de ondas gravitacionales eso ya no es tanta novedad (y qué bueno que sea así).

¿Qué tiene esto de especial entonces? Bueno, unos 2 segundos después de que LIGO-VIRGO observaron el evento gravitacional, otros observatorios también notaron el fenómeno. Eso sí, ¡estos observatorios no medían ondas gravitacionales!

El Fermi Gamma-ray Space Telescope de la NASA y el INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) de la ESA detectaron un pulso muy corto de rayos gamma que provenía de la misma vecindad que el Chavo las ondas gravitacionales anteriormente medidas. THE PLOT THICKENS!!

¿Ondas gravitacionales AL MISMO tiempo que rayos gamma? ¡¡Es como encontrar alguien de Talca a quien no le gusten los completos mojados!! ¿Qué cuestión rara espacial puede generar ambos fenómenos al mismo tiempo, se preguntará usted mientras mira la tele a color?

No.

Bueno, uno de esos eventos cósmicos es la colisión de dos estrellas de neutrones. Por si no lo recuerda de su fiel Icarito semanal, una estrella de neutrones es el remanente de la explosión de una estrella supergigante masiva luego de hacerse supernova. Lo que deja la ola (?) es un cuesco masivo.

Este cuesco espacial, o estrella de neutrones, tiene características físicas muy particulares. Está compuesto mayoritariamente por... (¿adivinó?) neutrones, partículas subatómicas sin carga eléctrica. Y dada su composición, estas partículas pueden acercarse mucho unas con otras, logrando que su densidad sea enorme. ¿Cuánto? pues alrededor de $6 \times 10^{17}$ kilos por metro bicúbico. Eso significa que un cubo de 1 cm de lado (como un cubito de azúcar) hecho con la misma densidad de una estrella de neutrones pesaría 6.000.000.000.000.000 kilogramos.

O sea, pasó una socióloga que escribió un ensayo sobre El arco iris de la gravedad de Thomas Pynchon y le gritó a la estrella de neutrones que era demasiado densa.

Una estrella de neutrones típica tiene el doble de masa que nuestro Sol, pero en una esfera de 25 kilómetros de diámetro. Para que se haga una idea, se estima que en el Sol se concentra entre el 99,75% y el 99,86% de la masa de TODO EL SISTEMA SOLAR. O sea, una estrella de neutrones típica concentraría prácticamente el doble de la masa de todo el sistema solar en una esfera del tamaño de Santiago (!!!).

Comparativa de objetos masivos.

Entonces, tenemos estas bolas megadensas, con una tremenda gravedad, deambulando por ahí, con todo lo que ser una estrella significa. Y, a veces, lo inevitable ocurre: dos estrellas de neutrones se ven a la distancia y se atraen. Ahí empieza esta historia de amor.

Cuando los objetos estelares se atraen, no hacen como nosotros, los humanos, que vamos directo y le decimos al otro «Hey, te invito a tomar cerveza belga». No: agujeros negros, estrellas de neutrones y, en general, todos los cuerpos masivos se acercan girando y, mientras más se acercan, más rápido giran. Es como si un par de gordos se vieran de frente mientras disfrutan del tagadá (en el parque de diversiones de su playa favorita) y se propusieran ir a darse un beso. Un observador externo (el operador del tagadá, celoso de tanto amor, por ejemplo), vería cómo estos sujetos masivos se acercan con los labios en «trompita», girando en torno al centro. Y mientras más se acercan, el operador aumenta la velocidad tratando de impedir el beso.

Es en este momento en que sus masas y su velocidad de giro forman ondas gravitacionales fuertes, rápidas y detectables. Y ese beso (la colisión final de las estrellas de neutrones), por la energía involucrada, su densidad y su masa, genera cantidades increíbles de energía, que libera de muchas formas: rayos X, ráfagas de rayos gamma, luz visible...

Y oro. Mucho oro y platino.

¿Es esa estación espacial el poder definitivo del universo?

Por mucho que le moleste al Grand Moff Tarkin, la Estrella de la Muerte estaba lejos de generar una energía tan destructiva como la colisión de dos estrellas de neutrones. Los chiquillos de Muse tienen una canción que dice así:

I was searching
You were on a mission
Then our hearts combined like
A neutron star collision

Y luego sigue con esas clásicas metáforas bien cursis del amor: que será para siempre, que si mueren, será juntos, que superarán todos los obstáculos...

Bueno. No sabemos si los chiquillos de Muse cachaban que una colisión de estrellas de neutrones genera tanta radiación de rayos gamma que podría esterilizar sistemas estelares completos ubicados a mucha distancia. De hecho, el evento es tan poderoso y devastador que en astronomía se le conoce como kilonova (las pobres supernovas parecen petardos al lado). O sea, ¿ese amor que es como un choque de estrellas de neutrones alejaría a todo el mundo a su alrededor? Mmm... Quizás la metáfora no sea tan mala después de todo.

En fin. Además de liberar energía, las colisiones de estrellas de neutrones generan cantidades impresionantes de elementos más pesados que el hierro, como oro y platino, expulsados a velocidades de hasta un quinto de la velocidad de la luz. De hecho, se estima que un solo evento de este tipo podría generar hasta 10 veces la masa de la luna en oro y dispersarlo por el universo. Así que ya sabe: el oro de ese anillo de matrimonio que lleva en el anular probablemente se creó en el choque de dos estrellas de neutrones hace millones de años. Puro bling-bling estelar.

Impreshión artíshtica de una colisión de estrellas de neutrones. (Imagen: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser)

Sin embargo, y como usted puede imaginar, la ocurrencia de este tipo de colisiones es extremadamente rara. Tan rara, que haberla detectado fue producto de un increíble azar que parece sacado de un guión de Sábados Gigantes antes de que Don Francis echara a Mandolino.

Nada hacía presagiar lo que ocurriría esa noche

Aquella noche del 17 agosto, el LIGO (EE. UU.) y el Interferómetro Virgo (Italia) captaron las ondas gravitacionales que cruzaban la Tierra. Unos dos segundos después, dos telescopios espaciales (el Fermi, de la NASA, y el INTEGRAL, de la ESA) captaron una ráfaga de rayos gamma provenientes de la misma zona del espacio. Entonces se contactó a varios telescopios ubicados en Chile para que rastrearan esa área.

Por una casualidad increíble, el telescopio óptico Swope en Chile (un telescopio ni siquiera tan impresionante, de 1 metro, o sea, más o menos del mismo tamaño que el telescopio refractor Yerkes, construido en Estados Unidos a fines del siglo XIX) apuntó al cielo a la zona donde está la galaxia lenticular NGC 4993, en la constelación de la Hidra. El pequeño telescopio, operado por la astrónoma chilena Natalie Ulloa (a quien entrevistamos en exclusiva en Etilmercurio 😎), que empezó a funcionar en 1971 y bautizado en honor a la astrónoma Henrietta Swope, fue el primero en la historia en observar la luz emitida por una fuente de onda gravitacional.

Una galaxia está compuesta por cientos de miles de millones de estrellas, así que imaginen el brillo que produjo esa colisión como para ser tan visible como una galaxia completa. Para que se hagan una idea, no se había visto algo que alumbrara tanto desde la reunión de institutanos ciclistas veganos del 2015.

La galaxia NGC 4993, a 130 millones de años-luz de la Tierra. La flecha indica el punto exacto donde explotas al amar se observa la luz emitida por una fuente de onda gravitacional. Click en la imagen para verla en todo su esplendor. (Imagen: ESO)

La galaxia NGC 4993 está ubicada a 130 millones de años luz de nuestro Sol (o sea, el evento ocurrió hace 130 millones de años y recién ahora nos enteramos). Esto hace que esta sea la fuente de ondas gravitacionales más cercana al sistema solar que hemos detectado hasta ahora, además de ser una de las ráfagas de rayos gamma más cercana jamás vista (y esperamos que nunca ocurra una demasiado cerca).

¿Y por qué tanto escándalo?

Elena Pian, astrónoma del INAF (Italia), y autora principal de unos de los papers que se publicará en la revista Nature, dice que «son raras las ocasiones en que un científico tiene la suerte de ser testigo de una nueva era en sus inicios. [...] ¡Esta es una de esas ocasiones!».

Aunque la existencia de las kilonovas se dedujo hace casi 30 años, esta es la primera vez que se observa una, lo que abrirá un nuevo capítulo en la historia de la astronomía. Además, esta es la primera vez que se puede observar un evento astronómico a partir de medios radicalmente distintos (luz, rayos gamma y ondas gravitacionales). Esta mezcla de medios para la detección de un mismo fenómeno astronómico se conoce con el nombre de astronomía multi-mensajero.

Bien lo dijo Stefano Covino, primer autor de uno de los papers de la Nature Astronomy: «Los datos que tenemos hasta ahora son asombrosamente similares a la teoría. Esto es un triunfo para los teóricos, una confirmación de que los eventos LIGO-VIRGO son absolutamente reales y un logro para ESO el haber obtenido un set de datos tan asombrosos de la kilonova».

Pero este descubrimiento tiene además una belleza adicional: es un trabajo colaborativo de proporciones (jojojo) astronómicas: observatorios en la Tierra y el espacio, investigadores de todo el mundo compartiendo datos, imágenes y análisis. Un acuerdo de secreto absoluto hasta que se confirmaran los hechos y se preparara una conferencia de prensa casi dos meses después de las observaciones...

Sí, quizás no es algo TAN popular como lo sería el descubrimiento de vida fuera de la Tierra. Y quizás usted pensará que hay que ser demasiado nerd para entusiasmarse con un fenómeno astronómico ocurrido hace mucho tiempo, en una galaxia lejana, muy lejana. Pero así es la ciencia la mayor parte del tiempo. Lo fascinante es que cada uno de estos aportes nos da nuevas claves para entender el funcionamiento del universo y cómo es posible que existamos.

Además, la próxima vez que regale una joya de oro podrá lucirse contando que unas estrellas de neutrones tuvieron que chocar y morir en una explosión colosal para que se creara ese metal.