Captadas por primera vez luz y ondas gravitacionales de una explosión estelar

Por primera vez desde que Einstein predijo su existencia hace más de un siglo se han captado casi al mismo tiempo las ondas gravitacionales y el estallido de luz producidos por la fusión de dos estrellas de neutrones, las más pequeñas y densas del universo.

Estos astros son los restos de estrellas de gran masa que consumieron todo su combustible atómico y estallaron produciendo una supernova. Lo que queda después es una estrella de materia a tan alta presión que tiene un diámetro de apenas 20 kilómetros y donde una cucharadita de neutrones pesa unos mil millones de toneladas.

La fusión de las dos estrellas de neutrones observadas sucedió hace 130 millones de años en NGC 4993, una galaxia de la constelación de Hidra, la más grande entre las 88 conocidas. Al aproximarse y chocar, los dos astros liberaron parte de su masa en forma de ondas gravitacionales que se expandieron por el universo a la velocidad de la luz y que, según vaticinó Albert Einstein con la Teoría General de la Relatividad, deformaron a su paso el espacio y el tiempo hasta llegar a la Tierra.

El pasado 17 de agosto, a las 8:41 de la mañana hora local, el software de detección automática del observatorio de ondas gravitacionales LIGO en Hanford (EE UU) hizo saltar la alarma ante una nueva vibración en los interferómetros de luz láser. Las mismas ondas fueron captadas también a más de 3.000 kilómetros de allí por el detector gemelo de LIGO, en Luisiana, y en Pisa, en Italia, por su homólogo europeo Virgo. Dos segundos después, el telescopio espacial Fermi de la NASA y el Integral de la Agencia Espacial Europea observaron un estallido de rayos gamma, el tipo de explosión más potente en el universo después del Big Bang. Estos observatorios determinaron el punto del cielo del que provenían las señales y lanzaron alertas internacionales a decenas de telescopios en todo el mundo. Al atardecer de ese día los potentes telescopios del Observatorio Austral Europeo ya apuntaban hacia allí. En cuestión de semanas, unos 70 observatorios de todo el mundo captaron el evento en todo el espectro electromagnético, desde los rayos x a las ondas de radio pasando por la luz visible y el infrarrojo.

En estas estrellas tan densas una cucharadita de neutrones pesa unos mil millones de toneladas

Este violento fenómeno astronómico es el primero en la historia que se ha podido ver y escuchar de forma simultánea gracias a los telescopios convencionales y los detectores de ondas gravitatorias. Estas vibraciones fueron descubiertas hace apenas dos años. Desde entonces LIGO ha captado cuatro fenómenos, todos producidos por agujeros negros, y sus padres científicos han ganado este año el Nobel de Física por ello.

Esta nueva señal es la primera que proviene de otro tipo de objetos —las estrellas de neutrones— y también la más larga y cercana que se ha captado —a 130 millones de años luz—, tanto que ha abarcado todo el rango de frecuencias de LIGO, muy parecidas a las de los instrumentos musicales.

Es el primer fenómeno astronómico que se ha podido ver y escuchar de forma simultánea gracias a los telescopios convencionales y los detectores de ondas gravitacionales

“Este es el evento de ondas gravitacionales más intenso jamás detectado”, resalta Alicia Sintes, jefa del grupo de gravitación y relatividad de la Universidad de Islas Baleares, que forma parte de la colaboración internacional LIGO. “La señal de la fusión ha durado 100 segundos, mientras que las anteriores apenas alcanzaron unos pocos segundos. Al producirse casi a la vez que un estallido de rayos gamma es la primera vez que tenemos la contrapartida visible de un evento de ondas gravitacionales, lo que supone un hito histórico, pues se estima que este tipo de explosiones solo suceden en galaxias como la nuestra cada 10.000 años”, añade.

Una exhaustiva disección de este cataclismo se publica hoy en una colección de 15 artículos en Physical Review Letters, Science y Nature. Los trabajos permiten confirmar las predicciones teóricas realizadas hace décadas sobre el origen de los estallidos rápidos de rayos gamma y un tipo de explosión estelar conocido como kilonova. Se piensa que en estos eventos, las estrellas de neutrones escupen oro, platino, plomo y otros elementos más pesados que el hierro.

Las kilonovas escupen oro, platino, uranio y plutonio

“Este es el primer espectro de una kilonova que se ha podido observar y hemos visto que los elementos pesados salen despedidos al 20% de la velocidad de la luz, mucho más rápido que durante una supernova”, explica Christina Thöne, investigadora del Instituto de Astrofísica de Andalucía (CSIC) y coautora de cinco de los estudios publicados hoy.

La mayoría de los elementos conocidos tienen un origen astronómico. Los ligeros como el hidrógeno y el helio se produjeron tras el Big Bang. Otros, como el carbono, el nitrógeno o el hierro, los producen las estrellas en su núcleo por fusión nuclear durante miles de millones de años. El choque de las dos estrellas anunciado hoy aclara ahora cómo sucede el llamado “proceso rápido” tras una explosión de kilonova que permite crear la mitad de todos los elementos más pesados que el hierro conocidos, incluidos también el plutonio y algunas tierras raras, tan codiciadas en la Tierra por su escasez y utilidad para fabricar baterías.

Las fusiones de agujeros negros que se habían detectado hasta ahora tenían como resultado un solo agujero mucho mayor, equivalente a unas 30 masas solares. Las dos estrellas de neutrones observadas eran mucho más pequeñas, de en torno a una masa solar, explica Thöne. Los modelos indican que cuando una estrella de neutrones supera unas dos veces la masa del Sol la presión es tan fuerte que la materia colapsa y forma un agujero negro. “Aunque aún no se ha podido confirmar, se cree que las dos estrellas de neutrones han chocado y han creado un agujero negro”, concluye Thöne.