Las ondas en el espacio-tiempo, creadas por un cataclismo estelar en una galaxia distante, ayudan a explicar los orígenes cósmicos del oro y trazan un curso para una nueva era en astronomía, observando el espectro electromagnético y las ondas gravitacionales.
El comienzo de una nueva era en astronomía y física fue anunciado el lunes por científicos que habían descubierto por primera vez ondas en el espacio-tiempo, conocidas como ondas gravitacionales, que se formaron por la colisión de dos estrellas de neutrones. El 17 de agosto, estas ondas del espacio llegaron a la Tierra en la región del Océano Índico y fueron registradas por dos estaciones detectoras del Observatorio Americano de Ondas Gravitacionales Interferométricas Láser (LIGO) y el detector europeo Virgo ubicado en Italia.
Esta es la quinta vez en los últimos dos años que los científicos registran tales ondas. Einstein fue el primero en predecir este fenómeno, habiéndolo hecho hace más de 100 años. Y este año, tres líderes de LIGO recibieron el Premio Nobel de Física por descubrimientos en el campo de las ondas gravitacionales.
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Sin embargo, todas las ondas gravitacionales observadas anteriormente se originaron a partir de la fusión de agujeros negros. Estos agujeros negros son tan densos que no liberan luz. Por lo tanto, tal fusión de agujeros negros es esencialmente imposible de detectar con telescopios convencionales, a pesar de las ondas gravitacionales increíblemente poderosas que generan en los últimos momentos de su frenética espiral de muerte. Sin una red más grande de observatorios de ondas gravitacionales, los astrónomos no pueden identificar las ubicaciones exactas de los agujeros negros fusionados, y mucho menos estudiarlos y analizarlos en profundidad.
Sin embargo, la fusión de estrellas de neutrones comienza con objetos que pueden ser muy ligeros en comparación con los agujeros negros. Una estrella de neutrones es el núcleo altamente comprimido de una estrella masiva expirada y se forma después de una explosión de supernova. Su campo gravitacional es lo suficientemente fuerte como para exprimir y destruir materia tan grande como todo el Sol, convirtiéndola en una esfera de neutrones del tamaño de una gran ciudad. Por tanto, no es una estrella en el sentido habitual, sino el núcleo de un átomo del tamaño de Manhattan. Sin embargo, la fuerza gravitacional de una estrella de neutrones todavía es demasiado pequeña para contener la luz y, por lo tanto, un destello de la colisión de dos de esas estrellas puede penetrar en el espacio, creando no solo ondas gravitacionales, sino también uno de los fuegos artificiales más brillantes del Universo que cualquiera pueda ver.
En este caso, cuando el pulso inicial de ondas gravitacionales marcó el inicio de la fusión, los fuegos artificiales consistieron en una ráfaga de radiación gamma de dos segundos de duración y un resplandor de diferentes longitudes de onda que duró varias semanas. Casi todos los astrónomos y físicos de nuestro planeta que supieron de este evento estaban entre "cualquiera que quisiera". La investigadora del proyecto Julie McEnery, que trabaja con el telescopio de rayos gamma Fermi, que registró una ráfaga de rayos gamma, calificó el 17 de agosto como "la mañana más maravillosa en los nueve años del telescopio".
Los astrónomos que trabajan con físicos en el telescopio LIGO y Virgo han hecho un juramento de secreto. Sin embargo, una gran cantidad de observaciones en todo el mundo condujo inevitablemente a la propagación de rumores, que ahora se han confirmado. Esta es una campaña mundial para monitorear la colisión y sus consecuencias. El estallido de nuevas observaciones y el surgimiento de nuevas teorías después de la colisión es el ejemplo más sorprendente de la astronomía de ondas gravitacionales. Es una nueva rama de la ciencia que recopila datos y estudia la luz, las ondas gravitacionales y las partículas subatómicas de los cataclismos astrofísicos.
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Al mismo tiempo, se publicaron una gran cantidad de artículos en varias revistas científicas, cuyos autores conectaron eventos recientes con una amplia variedad de fenómenos y propusieron nuevas ideas en una variedad de áreas, desde la física nuclear fundamental hasta la evolución del Universo. Entre otras cosas, esta fusión dio a los observadores la oportunidad de rastrear el origen de un agujero negro, que podría haberse formado en la colisión de estrellas de neutrones. Pero un descubrimiento es literalmente brillante. Esta es una evidencia convincente de que una fusión de estrellas de neutrones es un crisol cósmico en el que aparecen los elementos pesados de nuestro universo, incluidos el uranio, el platino y el oro.
Por lo tanto, dice mucho sobre el hecho de que el material radiactivo en un reactor nuclear, el convertidor catalítico en su automóvil y el metal precioso en su anillo de bodas son el resultado de la colisión de las estrellas más pequeñas, densas y exóticas de nuestro universo, o al menos la parte de ellos que puede escapar de los agujeros negros formados como resultado de la fusión. Este descubrimiento ayudará a resolver el debate en curso sobre el origen cósmico de los elementos pesados, en el que los teóricos han estado involucrados durante más de medio siglo. La mayor parte del hidrógeno y el helio de nuestro universo apareció en los primeros momentos después del Big Bang. Y la mayoría de los elementos ligeros, como oxígeno, carbono, nitrógeno, etc., se formaron por fusión nuclear en estrellas. Pero la pregunta sobre el origen de los elementos más pesados aún no ha sido respondida.
“¡Nos topamos con una mina de oro! dice Laura Cadonati, astrofísica del Instituto de Tecnología de Georgia y subsecretaria de prensa de LIGO. - De hecho, descubrimos por primera vez la onda gravitacional y el fenómeno electromagnético como un solo evento astrofísico. Las ondas de gravedad nos cuentan la historia de lo que sucedió antes del cataclismo. La radiación electromagnética habla de lo que sucedió después ". Si bien estas no son conclusiones finales, dice Kadonati, el análisis de las ondas gravitacionales de este fenómeno a lo largo del tiempo ayudará a revelar los detalles de cómo la materia se "salpica" dentro de las estrellas de neutrones cuando se fusionan, y los científicos tendrán nuevas oportunidades para estudiar estos objetos extraños, así como averiguar de qué tamaño. pueden alcanzar antes de colapsar y convertirse en un agujero negro. Kadonati también señala que hubo algún tipo de retraso misterioso de un par de segundos entre el final del estallido de la onda gravitacional y el comienzo de la radiación gamma. Quizás este sea el período de tiempo en el que la integridad estructural de las estrellas de neutrones fusionadas durante un corto tiempo resistió el inevitable colapso.
Muchos investigadores han esperado durante mucho tiempo este gran descubrimiento. “Mis sueños se han hecho realidad”, dice el astrofísico Szabolcs Marka de la Universidad de Columbia y parte del equipo de investigación de LIGO. A finales de los noventa, este hombre se convirtió en un seguidor de la astronomía de ondas gravitacionales, complementada con observaciones del espectro electromagnético. En esos años, recuerda Mark, se le consideraba un loco que intentaba prepararse para futuras observaciones de ondas gravitacionales, aunque todavía faltaban varias décadas para el descubrimiento directo de este fenómeno. “Ahora mis colegas y yo nos sentimos vengados”, dice. “Estudiamos este sistema de colisión de estrellas de neutrones en un conjunto muy diverso de señales. Lo vimos en ondas gravitacionales, en rayos gamma, en luz ultravioleta, en luz visible e infrarroja,y también en rayos X y ondas de radio. Esta es la revolución y la evolución de la astronomía en la que había puesto mis esperanzas hace 20 años.
El director de la National Science Foundation (la agencia federal que proporciona la mayor parte de los fondos de LIGO), France Córdova, dijo que el último logro es un "momento histórico en la ciencia" y que fue posible gracias al apoyo gubernamental sostenido y duradero de muchos observatorios astrofísicos. … “La detección de ondas gravitacionales, desde la primera señal vibrosísmica corta que se escucha en todo el mundo hasta la última señal más larga, no solo justifica la inversión arriesgada pero gratificante de la National Science Foundation, sino que también nos impulsa hacer más en esa dirección, dice Córdoba. - Espero que NSF continúe apoyando a los innovadores y las innovaciones,que transformará nuestro conocimiento e inspirará a las generaciones venideras ".
Que gran oportunidad
Cuando se detectaron las ondas gravitacionales iniciales de la fusión, seguidas de los rayos gamma (detectados inmediatamente por los científicos que utilizan el telescopio Fermi y los telescopios espaciales INTEGRAL), comenzó una carrera para descubrir cuál fue la fuente de la colisión en el espacio, así como su resplandor. Muy rápidamente, numerosos equipos de científicos apuntaron sus telescopios existentes a esa parte del cielo donde, según los cálculos de los investigadores de LIGO y Virgo, debería haber estado la fuente. Era un parche de cielo que se extendía por 31 grados cuadrados y contenía cientos de galaxias. (Según Kadonati, si solo se usara el observatorio LIGO, estas observaciones serían similares a buscar un anillo dorado en el fondo del Océano Pacífico. Pero con el tercer punto de datos de Virgo, dice, los investigadores pudieron calcular la ubicación de la fuente.y como resultado, las observaciones se volvieron más como "buscar el anillo de oro en el Mediterráneo").
La mayoría de las observaciones fueron realizadas por científicos en observatorios chilenos. Comenzaron su trabajo inmediatamente después del atardecer, cuando la parte deseada del cielo salió del horizonte. Diferentes equipos de científicos han utilizado una amplia variedad de estrategias de búsqueda. Alguien simplemente realizó una observación continua de una sección del cielo, moviéndose metódicamente de un lado a otro; alguien apuntaba a galaxias en las que era más probable que se fusionaran las estrellas de neutrones. Al final, la segunda estrategia resultó ser ganadora.
El primero en ver el resplandor óptico fue un estudiante de doctorado e investigador de la Universidad de California, Santa Cruz, Charles Kilpatrick. Se sentó en su escritorio en su oficina y miró imágenes de algunas galaxias, después de haber recibido una asignación de uno de sus compañeros astrónomos Ryan Foley, quien ayudó a organizar el proyecto. La novena imagen que comenzó a estudiar fue una fotografía, tomada apresuradamente y transmitida por colegas del otro lado del mundo que trabajaban en el enorme telescopio Swope del observatorio Las Campanas en Chile. Fue en él donde vio lo que todo el mundo estaba buscando: un punto azul brillante en el centro de una galaxia elíptica gigante, que es un cúmulo de viejas estrellas rojas de 10 mil millones de años de antigüedad, que se encuentran a 120 millones de años luz de distancia. Todos eran sin nombreexcepto las designaciones en los catálogos. Se cree que es en tales galaxias donde se producen con mayor frecuencia las fusiones de estrellas de neutrones, ya que son viejas, sus estrellas tienen una alta densidad y hay bastantes estrellas jóvenes en tales galaxias. Al comparar esta imagen con imágenes anteriores de la misma galaxia, Kilpatrick no vio tal punto en ellas. Fue algo nuevo, recientemente. “Realmente me di cuenta de lo histórico que era este momento”, recuerda Kilpatrick. "Pero en ese momento, estaba concentrado en mi tarea, tratando de trabajar lo más rápido posible". Al comparar esta imagen con imágenes anteriores de la misma galaxia, Kilpatrick no vio tal punto en ellas. Fue algo nuevo, recientemente. “Realmente me di cuenta de lo histórico que era este momento”, recuerda Kilpatrick. "Pero en ese momento estaba concentrado en mi tarea, tratando de trabajar lo más rápido posible". Al comparar esta imagen con imágenes anteriores de la misma galaxia, Kilpatrick no vio tal punto en ellas. Fue algo nuevo, recientemente. “Realmente me di cuenta de lo histórico que era este momento”, recuerda Kilpatrick. "Pero en ese momento, estaba concentrado en mi tarea, tratando de trabajar lo más rápido posible".
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Kilpatrick compartió la vista con otros miembros de su equipo, incluido el astrónomo de Carnegie Josh Simon, quien rápidamente recibió una imagen de confirmación con uno de los telescopios de Magallanes más grandes de Chile, de seis metros y medio de diámetro. El punto azul también estuvo presente en estas imágenes. Durante una hora, Simon midió el espectro de este punto, es decir, los distintos colores de la luz que emitía. Hizo esto en tomas emparejadas con una velocidad de obturación de cinco minutos. Simon creía que estas imágenes espectrales serían útiles para futuras investigaciones. Y si no es así, en cualquier caso podrán demostrar que no se trata simplemente de una supernova ordinaria o de algún otro impostor cósmico. Mientras tanto, otros equipos de científicos también notaron este punto y comenzaron a estudiarlo. Pero el equipo de Foley fue más rápido que otros para encontrar la confirmación y realizar un análisis espectral, asegurando el liderazgo en este descubrimiento. “Fuimos los primeros en obtener la imagen y fuimos los primeros en identificar la fuente de esa imagen”, dice Simon. “Y como obtuvimos tanto el primero como el segundo muy rápidamente, pudimos hacer el primer análisis espectral de esta fusión, que nadie en Chile pudo hacer esa noche. Después de eso, anunciamos nuestro descubrimiento a toda la comunidad científica ". Después de eso, anunciamos nuestro descubrimiento a toda la comunidad científica ". Después de eso, anunciamos nuestro descubrimiento a toda la comunidad científica ".
Estas primeras observaciones espectrales resultaron ser de suma importancia para el posterior análisis y solución de algunos misterios. Demostraron que los restos de la fusión se enfrían rápidamente y pierden su luz azul brillante, que se convierte en un rubí profundo. Estos datos se comprobaron y confirmaron en el curso de las observaciones de las semanas siguientes, mientras que el punto visible se desvaneció y se desvaneció, y su resplandor se desplazó, y la luz brillante pasó a la región infrarroja del espectro con una longitud de onda más larga. Los patrones generales de color, enfriamiento y expansión eran muy similares a lo que muchos teóricos, trabajando independientemente unos de otros, habían predicho previamente. Primero que nada, estos son Brian Metzger de la Universidad de Columbia y Dan Kasen de UC Berkeley.
En resumen, explica Metzger, lo que vieron los astrónomos tras esta fusión podría llamarse "kilonova". Es una intensa explosión de luz producida por la liberación y posterior desintegración radiactiva de material al rojo vivo rico en neutrones de una estrella de neutrones. A medida que este material se expande y se enfría, la mayoría de sus neutrones son capturados por los núcleos de hierro y otros elementos pesados que quedan como cenizas de la explosión de la supernova y la formación de una estrella de neutrones. “Esto conduce a la creación de elementos aún más pesados en aproximadamente un segundo, cuando las partículas expulsadas capturan estos neutrones y se expanden en el espacio. Una de estas fusiones forma la mitad inferior de la tabla periódica, a saber, oro, platino, uranio, etc.”, dice Metzger. En la etapa final, la luz de la kilonova cambia bruscamente a la zona infrarroja, cuando los neutrones que salen en cascada de la eyección forman los elementos más pesados que absorben la luz visible de manera muy efectiva.
La medición de los cambios espectrales en el cuerpo de la kilonova, a su vez, permite a los astrónomos determinar el número de diferentes elementos formados durante el proceso de fusión. Edo Berger, que estudia las kilonovas en el Centro Smithsonian de Astrofísica y dirigió muchas de las observaciones más ambiciosas de esta fusión, dice que el evento produjo elementos pesados, con un peso de 16.000 masas terrestres. “Está todo ahí: oro, platino, uranio y otros elementos más extraños que conocemos como letras en la tabla periódica, aunque no sabemos sus nombres”, dice. "En cuanto a la desintegración, aún desconocemos la respuesta exacta a esta pregunta".
Algunos teóricos sugieren que la cantidad de oro formado como resultado de la fusión es solo unas pocas décimas de la masa de la tierra. Metzger, por su parte, cree que este número equivale a unas 100 masas terrestres. Según él, el platino se formó tres veces más que la masa de la tierra y el uranio, 10 veces menos. En cualquier caso, si comparamos las nuevas estimaciones estadísticas de la frecuencia de tales fusiones, basadas en las últimas mediciones, obtenemos una cantidad bastante grande de tales eventos. “Hay suficientes para formar y acumular los elementos que forman nuestro propio sistema solar y la variedad de estrellas que vemos”, dice Metzger. “Según lo que hemos visto, estas fusiones se pueden explicar en detalle. Probablemente haya otras formas de formar elementos pesados, pero parece queque no los necesitamos . Según él, cada 10 mil años en la Vía Láctea solo hay una fusión de estrellas de neutrones.
Fronteras lejanas
Además, estudiar el proceso de fusión y formación de una kilonova puede proporcionarnos información muy importante sobre cómo ocurrió la colisión. Por ejemplo, la luz de la eyección inicial después de la fusión fue más azul de lo que esperaban los científicos. Basándose en esto, Metzger y otros científicos concluyeron que estaban mirando a la kilonova desde un ángulo, no directamente. En base a este escenario, la eyección azul inicial provino de una envoltura esférica o banda ecuatorial de material con bajo contenido de neutrones que fue expulsado hacia afuera desde estrellas de neutrones a una velocidad estimada del 10% de la velocidad de la luz. Las emisiones posteriores y más rojas podrían provenir de material con un alto contenido de neutrones que fue expulsado de los polos de las estrellas de neutrones cuando chocaron a una velocidad dos o tres veces más rápida, como la pasta de dientes.exprimido fuera del tubo.
Si comparamos este escenario con datos de observación detallados en los rangos de rayos X y radio, entonces la naturaleza muy curiosa de la emisión de rayos gamma asociada con tal fusión se vuelve más clara. Fue el estallido de rayos gamma más cercano registrado, pero también uno de los más débiles. Se cree que las explosiones de rayos gamma de corta duración son explosiones bipolares de radiación intensa que se acelera y expulsa a una velocidad cercana a la de la luz por los campos magnéticos dentro de las estrellas de neutrones en colisión cuando se fusionan y colapsan en un agujero negro. Si miras este destello de radiación gamma directamente (ojo a ojo, por así decirlo), será muy brillante. Esto sucede en la mayoría de los casos de emisiones que los astrónomos observan en partes distantes del universo. Pero cuando miras estos estallidos de rayos gamma desde un ángulo, parecen bastante tenues y solo se pueden detectar si están bastante cerca, dentro de unos pocos cientos de millones de años luz.
Por lo tanto, utilizando los abundantes datos acumulados por la astronomía de ondas gravitacionales, los científicos podrán con el tiempo determinar los ángulos de visión de muchos kilonov en toda la parte observable del Universo, y esto les permitirá medir con mayor precisión estructuras cósmicas a gran escala y estudiar su evolución. Los científicos tendrán la oportunidad de desentrañar esos misterios que son mucho más profundos que el origen de los elementos pesados, digamos, la circunstancia desconcertante de que el universo no solo se expande, sino que se expande con aceleración bajo la influencia de una fuerza antigravedad a gran escala conocida como energía oscura.
Los investigadores en el campo de la cosmología esperan poder comprender mejor la energía oscura midiendo con precisión su impacto en el Universo, rastrear objetos en regiones distantes del Universo, comprender qué tan lejos están y qué tan rápido se mueven en corrientes aceleradas de energía oscura. Pero para hacer esto, los científicos necesitan "velas estándar" confiables, es decir, objetos de brillo conocido, que podrían usarse para calibrar este enorme campo de espacio-tiempo que lo abarca todo. El astrofísico Daniel Holz de la Universidad de Chicago y LIGO ha demostrado cómo la fusión de estrellas de neutrones puede contribuir a este esfuerzo. En su trabajo, muestra que la fuerza de las ondas gravitacionales formadas durante la última fusión,y también las emisiones de kilonova se pueden utilizar para calcular la tasa de expansión de las partes más cercanas del Universo. Este método se limita a una sola fusión y por lo tanto tiene una incertidumbre significativa en sus valores, aunque confirma los datos de tasa de expansión obtenidos con otros métodos. Pero en los próximos años, los observatorios de ondas gravitacionales, así como los telescopios terrestres y espaciales de nueva generación y de gran tamaño, trabajarán juntos, descubriendo cientos o incluso miles de colisiones de estrellas de neutrones cada año. En este caso, la precisión de las estimaciones aumentará notablemente.aunque confirman los datos sobre tasas de expansión obtenidos por otros métodos. Pero en los próximos años, los observatorios de ondas gravitacionales, así como los telescopios terrestres y espaciales de nueva generación y de gran tamaño, trabajarán juntos, descubriendo cientos o incluso miles de colisiones de estrellas de neutrones cada año. En este caso, la precisión de las estimaciones aumentará notablemente.aunque confirman los datos sobre tasas de expansión obtenidos por otros métodos. Pero en los próximos años, los observatorios de ondas gravitacionales, así como los telescopios terrestres y espaciales de nueva generación y de gran tamaño, trabajarán juntos, descubriendo cientos e incluso miles de colisiones de estrellas de neutrones cada año. En este caso, la precisión de las estimaciones aumentará notablemente.
"¿Qué significa todo esto? Y el hecho de que las mediciones de ondas gravitacionales de estas fusiones, realizadas por LIGO y Virgo, se complementarán con modelos de kilonova, y luego los científicos podrán comprender cuáles son sus inclinaciones y ángulos de visión, examinando su evolución espectral con una transición de azul a rojo ". Así lo afirma el astrofísico Richard O'Shaughnessy del Instituto de Tecnología de Rochester y miembro del equipo de LIGO. “Esta es una combinación de esfuerzos muy poderosa. Si conocemos la inclinación, podemos calcular la distancia, lo que será muy útil para la cosmología. Lo que se ha hecho ahora es un prototipo de lo que haremos habitualmente en el futuro ".
"Si lo piensas bien, el universo es una especie de colisionador de partículas cósmicas, y las partículas de este colisionador son estrellas de neutrones", dice O'Shaughnessy. - Empuja estas partículas, y ahora tenemos la oportunidad de entender qué sale de esto. Veremos una gran cantidad de eventos de este tipo en los próximos años. No sé exactamente cuántos habrá, pero la gente ya lo llama lluvia cósmica. Esto nos dará datos reales que nos permitirán conectar hebras muy diferentes y abruptas de la astrofísica, que antes existían solo en la mente de los teóricos o en forma de piezas de información separadas en modelos de supercomputadoras. Esto nos dará la oportunidad de comprender las razones de la abundancia de elementos pesados en el espacio. Esto nos dará la oportunidad de estudiar materia nuclear blanda y fácilmente comprimible en condiciones de enorme densidad. Podremos medir la tasa de expansión del universo. Estos esfuerzos de colaboración brindarán amplias oportunidades para la astrofísica de alta energía y plantearán muchos desafíos para las próximas décadas. Y la base de dicha cooperación serán las inversiones a largo plazo. Hoy estamos cosechando los frutos de una enorme montaña de oro, cuya masa es decenas o incluso cientos de veces la masa de la Tierra. Este regalo nos fue presentado por el Universo”.
Lee Billings es editor en jefe adjunto de Scientific American. Escribe sobre el espacio y la física.
