El observatorio LIGO, cuyos creadores recibieron el Premio Nobel de 2017, ya ha cambiado el mundo de la astronomía. Cuando los científicos de la comunidad científica internacional LIGO descubrieron las primeras ondas gravitacionales en 2016, descubrieron una nueva forma de observar el universo. Por primera vez, los científicos pudieron "escuchar" las fluctuaciones en el espacio-tiempo que surgen de la colisión de objetos grandes (por ejemplo, agujeros negros).
Pero ese era sólo el inicio. El objetivo era combinar la observación de ondas gravitacionales con datos de telescopios más convencionales.
En octubre de 2017, en Physical Review Letters, el equipo de científicos de LIGO, que incluye a varios miles de personas en todo el mundo, publicó una serie de artículos sobre el increíble descubrimiento. Los investigadores pudieron no solo detectar ondas gravitacionales de la colisión de dos estrellas de neutrones, sino también determinar sus coordenadas en el cielo, así como observar el fenómeno a través de telescopios ópticos y electromagnéticos.
"Esta es una de las historias más completas imaginables de un fenómeno astrofísico", dice el físico Peter Solson de la Universidad de Syracuse y miembro de la comunidad LIGO.
norte
Cada fuente cuenta su propia parte de la historia
Las ondas gravitacionales les dicen a los físicos el tamaño y la distancia de los objetos, lo que les permite recrear el momento antes de que choquen. Las observaciones de radiación visible y ondas electromagnéticas llenan los vacíos que las ondas gravitacionales no pueden explicar. Ayudan a los astrónomos a descubrir de qué están hechos los objetos y qué elementos químicos provienen de la colisión. En nuestro caso, los científicos pudieron concluir que la explosión durante la fusión de estrellas de neutrones condujo a la aparición de elementos pesados: oro, platino y uranio (que anteriormente solo se suponía, pero no se pudo confirmar mediante observación directa).
Ahora los científicos han logrado ver con sus propios ojos la alquimia del universo en acción. "Creo que el impacto de este descubrimiento en la ciencia será más significativo que la primera detección de agujeros negros a través de ondas gravitacionales", dijo Duncan Brown, otro científico de la comunidad LIGO y de la Universidad de Syracuse. "Aquí están involucrados muchos aspectos de la física y la astronomía". Y todo esto es el resultado de una búsqueda del tesoro entre las estrellas, en la que está involucrado todo el mundo.
Video promocional:
Carrera contra el tiempo. Lugar marcado con una cruz
El 17 de agosto a las 8:41 am, LIGO detectó ondas gravitacionales, la curvatura del tiempo y el espacio, que atravesaban la Tierra. LIGO son dos observatorios en forma de L en los estados de Luisiana y Washington, EE. UU. Pueden registrar ondas que comprimen y estiran el continuo espacio-tiempo.
Durante los últimos dos años, LIGO ha podido detectar ondas gravitacionales generadas por la colisión de agujeros negros. Pero la señal del 17 de agosto fue bastante diferente. Resultó ser mucho más fuerte de lo que se registró cuando se descubrió el agujero negro. La nueva señal duró 100 segundos, mientras que las señales de los agujeros negros solo duraron unos pocos. Esto significó que la colisión tuvo lugar mucho más cerca de la Tierra.
Cuando LIGO detecta ondas gravitacionales, envía notificaciones automáticamente a cientos de científicos de todo el mundo. Duncan Brown es uno de ellos. “Recibimos una alerta telefónica muy rápidamente y nos dimos cuenta de que se trataba de una señal inesperadamente fuerte de ondas gravitacionales. Nos sorprendió”, recuerda.
Inmediatamente quedó claro que no se trataba de una fusión de agujeros negros. El análisis inicial mostró que las ondas se originaron a partir de la colisión de dos estrellas de neutrones, objetos con una densidad muy alta. Se cree que en su interior se forman elementos químicos pesados.
Cuando LIGO detecta ondas gravitacionales de la colisión de agujeros negros, no se puede ver nada en el cielo: los agujeros negros, como su nombre indica, son oscuros. ¿Qué tal una colisión de dos estrellas de neutrones? El espectáculo debe ser como unos coloridos fuegos artificiales.
Sarah Wilkinson / Observatorio Las Campanas
Y así sucedió: dos segundos después de la señal LIGO, el telescopio espacial Fermi de la NASA detectó un estallido de rayos gamma, uno de los estallidos de energía explosiva más poderosos del Universo que conocemos. Durante mucho tiempo, los astrónomos han construido teorías de que la fusión de estrellas de neutrones puede provocar explosiones de rayos gamma. Y ahora no podía ser una coincidencia.
Al mismo tiempo, la luz de una fusión tan explosiva se atenúa rápidamente. El conteo se prolongó durante unos minutos y los científicos de la comunidad científica internacional LIGO se vieron obligados a darse prisa. “Cuanto más rápido llegue al telescopio, más información obtendrá”, dice Brown. Al estudiar la luz y cómo cambia, los científicos pueden obtener una gran cantidad de información que les ayudará a comprender mejor las estrellas de neutrones y cómo se fusionan para cambiar la materia.
Brown y sus colegas se pusieron manos a la obra, organizando teleconferencias con decenas de científicos de todo el mundo. El equipo de LIGO trabajó con socios de VIRGO, un observatorio italiano de ondas gravitacionales, para trabajar con un esfuerzo redoblado para mapear el cielo y localizar la fuente de las ondas gravitacionales. Redujeron su búsqueda a un área del tamaño de un puño con el brazo extendido. (Desde un punto de vista astronómico, incluso esta región es un espacio enorme. Un área de un mapa con una cabeza de fósforo a la distancia del brazo puede contener miles de galaxias). El detector VIRGO en Italia no captó una señal, lo que ayudó a determinar la posición de las estrellas. VIRGO tiene zonas de no recepción, por lo que las estrellas de neutrones deberían estar ubicadas cerca de una de ellas.
Este mapa del cielo es el resultado de combinar información de Fermi, LIGO, VIRGO e Integral (otro observatorio de rayos gamma). Cada detector proporcionó un área en la que podría ocurrir una señal. Donde se superponían, se indicaba el lugar marcado con una cruz en el mapa de tesoros cósmicos.
Mapa en mano, el equipo de LIGO envió correos electrónicos a astrónomos de todo el mundo que podían explorar esta región del cielo al caer la noche.
¡Y la suerte no les pasó de largo! Varios observatorios terrestres pudieron detectar la posición del kilón (o macrón), una explosión por la colisión de dos estrellas de neutrones. La foto de la izquierda muestra lo que capturaron los astrónomos en la noche de apertura. A la derecha está cómo se veía unos días después. La explosión se atenuó notablemente.
1M2H / UC Santa Cruz y Observatorio Carnegie / Ryan Foley
Así lucía la galaxia un par de semanas antes de la formación de la kilonova (imagen superior). La imagen inferior muestra una explosión.
norte
La colaboración Dark Energy Camera GW-EM y la colaboración DES / Berger
Las imágenes pueden parecer borrosas, pero hay mucha información sobre ellas. Con coordenadas precisas, los científicos pueden sintonizar el telescopio espacial Hubble y el observatorio espacial de rayos X Chandra para hacer explotar una kilonova. Con la ayuda de estas herramientas, los astrónomos podrán observar el proceso del universo con un solo ojo.
Cómo las estrellas de neutrones en colisión crean oro
Las estrellas de neutrones son cuerpos cósmicos inusuales. Se forman como resultado del colapso gravitacional de estrellas (por ejemplo, durante explosiones de supernovas) y tienen una densidad muy alta. Imagínese un objeto con una masa como el Sol, pero de solo 25 kilómetros de diámetro. Se trata de 333.000 masas de toda la Tierra, comprimidas en una bola del tamaño del Distrito Central de Moscú. La presión en el interior es tan grande que solo los neutrones (protones fusionados con electrones) pueden existir allí.
En una galaxia a 130 millones de años luz de distancia, dos de esos objetos "bailaban" uno alrededor del otro, moviéndose en órbita y acercándose cada vez más. Chocaron y la energía liberada a través del Universo envió una onda que distorsiona el tiempo y el espacio, y una corriente de partículas (una explosión de rayos gamma detectada junto con ondas gravitacionales). Tanto las ondas gravitacionales como los rayos gamma viajaron a la velocidad de la luz. Ésta es otra prueba de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Es posible que tras la fusión, las estrellas de neutrones formaran un nuevo agujero negro, ya que tenían suficiente masa. Sin embargo, todavía no hay suficiente información para una declaración inequívoca.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Pero una cosa ya se puede decir con seguridad: después de la explosión, muchos de los neutrones restantes se combinaron y formaron elementos químicos.
Todos nosotros y todos los elementos de la Tierra estamos hechos de estrellas. Como resultado del Big Bang al comienzo de los tiempos, se formaron elementos muy ligeros: hidrógeno y helio. Estos elementos se combinaron para formar estrellas, en cuyo interior, durante las reacciones de fusión, aparecieron elementos con masas cada vez mayores.
Cuando las estrellas se convirtieron en supernovas (colapso y posterior explosión), se crearon elementos aún más pesados. Sin embargo, según Brown, la aparición del oro y el platino ha sido un misterio durante mucho tiempo. Incluso las explosiones de supernovas no son lo suficientemente poderosas para crearlas.
Ha habido teorías de que una estrella kilón (formada por la fusión de dos estrellas de neutrones) es capaz de producir estos metales. Y dado que los astrónomos pudieron determinar oportunamente el lugar donde ocurrió la fusión, confirmaron esta teoría. El color y la calidad de la luz que quedó después de la explosión confirmaron la formación de oro y platino. Los científicos parecían haber visto la alquimia en acción.
“El oro en la Tierra se creó una vez después de una explosión nuclear de una fusión [de estrellas de neutrones]”, explica Brown. - Ahora tengo un anillo de bodas de platino en mi dedo. ¡Piensa que apareció debido a la colisión de estrellas de neutrones!"
Se acerca una nueva era en astronomía
El descubrimiento descrito marca el comienzo de una nueva era en astronomía. Los científicos podrán estudiar los cuerpos celestes no solo con la ayuda de la luz y la radiación que emiten, sino también combinar estas observaciones con la información obtenida durante el análisis de ondas gravitacionales. Esta información contiene cómo las dos estrellas de neutrones se movieron una alrededor de la otra cuando ocurrió la colisión, así como una gran cantidad de información sobre sus consecuencias.
A la derecha - visualización de la sustancia de las estrellas de neutrones. A la izquierda - distorsión del espacio-tiempo cerca de explosiones. Karan Janey / Instituto de Tecnología de Georgia
La combinación de todas las fuentes de información se denomina astronomía multicanal, es decir, astronomía basada en la suma de observaciones del espectro electromagnético con observaciones de ondas gravitacionales. Este ha sido el sueño de los científicos de LIGO desde que se fundó el observatorio.
“Imagínese vivir en una habitación sin ventanas, y todo lo que puede hacer es escuchar un trueno pero no ver un rayo”, explica Vicki Kalogera, astrofísica de la Universidad Northwestern y miembro de la comunidad LIGO. - Ahora imagina que te trasladaron a una habitación con ventana. De ahora en adelante, no solo escuchas truenos, sino que también ves relámpagos. Lightning brinda una oportunidad completamente nueva para estudiar tormentas eléctricas y comprender lo que realmente está sucediendo.
Las ondas gravitacionales son truenos. Observación de explosiones a través de un telescopio: rayos.
Hace apenas un mes, los tres fundadores de LIGO recibieron el Premio Nobel de Física por su trabajo pionero. Como observó Ed Young de The Atlantic, otorgar el premio a tres de los cientos que han hecho contribuciones significativas al proyecto LIGO crea una situación incómoda y controvertida. Sin embargo, resultados recientes muestran que el premio al trabajo científico fue bien merecido.
Lo mejor de observar ondas gravitacionales es que el proceso es pasivo. LIGO y VIRGO "escucharán" cualquier onda gravitacional que pase por la Tierra el mismo día. Cada señal marca el comienzo de una nueva búsqueda de "tesoros", porque los científicos necesitan comprender qué creó las fluctuaciones en el espacio-tiempo.
Los astrónomos esperan ver más fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones. Pero se pueden descubrir fenómenos aún más interesantes. Si los observatorios LIGO y VIRGO continúan mejorando, existe la posibilidad de que sea posible detectar ondas gravitacionales sobrantes del Big Bang. O, lo que es más emocionante, estos observatorios podrán detectar fuentes de ondas gravitacionales que antes se desconocían y no podían predecir.
"Me entristeció nacer después del primer aterrizaje tripulado en la luna", dijo Thomas Corbitt, físico y miembro de la comunidad LIGO en la Universidad Estatal de Louisina. - Pero cuando te conviertes en testigo de hechos como estos, que sirven como prueba del gran éxito de las actividades conjuntas, aparece la inspiración. Nos dan más conocimiento sobre el Universo ".
El artículo original en inglés está disponible aquí.
