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Ondas gravitacionales y su contrapartida electromagnética

Ondas gravitacionales y su contrapartida electromagnética

22 octubre, 2017

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Por Tomás Ruiz Lara

Twitter: @owl_astro

Estoy convencido de que muchos de vosotros (sino todos) seréis conscientes de que en los últimos años astrofísicos han detectado en varias ocasiones “ondas gravitacionales”. Y esto debe ser bastante importante ya que ha ocupado portadas de periódicos y telediarios así como su descubrimiento ha llevado a conceder el premio Nobel de Física en 2017 a los científicos que más han trabajado en pro de este descubrimiento (Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne).

Gravitational-Waves

 Simulación de emisión de ondas gravitacionales debido a dos objetos masivos orbitando uno alrededor del otro.

Pero no solo esto. Durante la última semana la locura ha ido en aumento con la observación de “la contrapartida electromagnética de ondas gravitacionales”. Pero, ¿qué implica todo esto? ¿Es merecedor de todo el revuelo que se está montando? Espero que al término de la lectura de esta entrada tengáis las respuestas claras.

El hecho:

El pasado 17 de agosto de 2017, a eso de las 13:41:04 en la península, LIGO (proyecto que cuenta con dos observatorios dedicados a la detección de ondas gravitacionales) detectaba el evento GW170817, una onda gravitacional, recibiendo señal durante unos 100 segundos. Tanto el observatorio de Hanford (Washington, EEUU) como el de Livingston (Louisiana, EEUU) detectaban la señal, señal que no era detectada por otro observatorio de similares características (VIRGO) situado en Italia. Exactamente 2.48 segundos después, los telescopios de rayos gamma Fermi (NASA) e INTEGRAL (ESA) detectaban un estallido de rayos gamma (GRB) de corta duración (unos 2 segundos aproximadamente).

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Detección de la onda gravitatoria GW170817 (abajo a la izquierda), su contrapartida en rayos gamma (GRB, arriba a la izquierda), localización en el cielo y observaciones antes y después del fenómeno (derecha). Crédito: Proyecto LIGO.

Esto hacía saltar las alarmas. ¿Estaríamos ante el primer caso de contrapartida electromagnética de ondas gravitacionales? Es decir, ¿se corresponderá el GRB con las ondas gravitacionales detectadas? Las detecciones de LIGO, Fermi e INTEGRAL, así como la no detección de VIRGO, situaba la posible fuente en un área de 28 grados cuadrados del cielo. La rápida actuación de observatorios de todo el mundo incluido el telescopio espacial Hubble permitieron encontrar un nuevo “punto de luz” en la zona prevista así como tomar datos durante los siguientes días para confirmar la naturaleza del objeto encontrado. Debemos realzar aquí que, sin esta rápida actuación y sin los datos (fotométricos y espectroscópicos) tomados todo se habría quedado en mera especulación.

Gracias a esto, hoy sabemos que hace 130 millones de años, dos estrellas de neutrones (1.1 y 1.6 masas solares, según el patrón de ondas gravitacionales detectado) que orbitaban una alrededor de la otra en NGC4993 (en la constelación de la Hidra) fusionaron dando lugar a una gran explosión, denominada kilonova, que emitió, además de ondas gravitacionales, una importante cantidad de radiación electromagnética y unas 13000 masas terrestres al espacio de un material rico en elementos pesados como oro o platino a una velocidad igual a un quinto de la velocidad de la luz. No fue hasta agosto de este año que tal evento se dejó percibir en la Tierra, no el primero en el Universo, no el único, pero sí el primero para cuya detección y análisis estábamos preparados.

¿Qué son las ondas gravitacionales?

No tengo que explicaros que, si dejamos caer un cuerpo desde cierta altura, éste caerá al suelo. Evidentemente debido a la gravedad. Y no sólo eso, también la Tierra y el resto de planetas orbitan alrededor del Sol debido al efecto de la gravedad. Gravedad que llevamos conociendo y explicando con ecuaciones matemáticas desde el Siglo XVII de la mano de Sir Isaac Newton. Sin embargo, esta teoría tenía algunos problemas (casi insignificantes). Así, Albert Einstein, en 1915, revisó nuestra forma de entender la gravedad y lo que denominamos el espacio-tiempo en su teoría de la relatividad general. En esencia, esta teoría reemplazaba la fuerza de atracción gravitatoria y generaba una estructura espacio-tiempo que podía ser curvada por la masa. ¡Nosotros mismos curvamos el espacio-tiempo a nuestro alrededor! Pero lo más espectacular de todo esto no era que explicaba lo que ya hacía la teoría de Newton, sino que además predecía comportamientos para nada intuitivos de la materia y la luz que poco a poco iban siendo confirmados. Entre estas predicciones, a caballo entre la ciencia y la ciencia ficción, se encontraban las ondas gravitacionales.

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Efecto del paso de ondas gravitacionales sobre un círculo compuesto por diversas masas (puntos rojos).

Si movemos un palo en la superficie de un lago, podemos ver pequeñas subidas y bajadas en el nivel del agua, habremos creado una “onda” u ola si lo preferís así. Si lo que se mueve es la cuerda de una guitarra o nuestras cuerdas vocales, produciremos subidas y bajadas de presión del aire que las rodea, habremos generado una onda sonora. De la misma manera, pero tal vez algo más compleja, las famosas ecuaciones de Maxwell que explican el electromagnetismo tienen como solución unas ondas, las ondas electromagnéticas (luz visible, rayos X, microondas, radio…), que pueden ser producidas por partículas cargadas en aceleración. Así, Einstein propuso unas ecuaciones “de campo” para explicar el Universo que nos rodea, cuya solución también tiene forma (expresión matemática) de ondas que se propagarían a la misma velocidad que las ondas electromagnéticas. Éstas se llamarían ondas gravitacionales, serían generadas por masas aceleradas y producirían cambios en esta estructura espacio-temporal de la que nos hablaba Einstein, provocando cambios en la distancia entre dos objetos aunque dichos objetos NO se muevan.

¿Cómo detectarlas?

Constantemente estamos expuestos a ondas gravitacionales, pero ni se nos deforma la cara, ni apreciamos diferencias en las distancias que nos separan de objetos. Esto es debido a que su amplitud, el efecto que tienen sobre el espacio-tiempo, es muy, muy pequeño. Sin embargo, cuerpos muy masivos (estrellas de neutrones o agujeros negros), cuando orbitan el uno alrededor del otro (acelerados), sobretodo en los momentos previos a su fusión (cuando las aceleraciones son mayores), emiten ondas gravitacionales lo suficientemente intensas como para ser detectadas, aunque dicha detección no será para nada sencilla.

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Generación de ondas gravitacionales por la fusión de dos agujeros negros. Crédito: Proyecto LIGO.

Para hacernos una idea, si tenemos una varilla de 4 km de largo, y sobre ella pasa una onda gravitacional, ésta producirá cambios en la distancia entre sus extremos de aproximadamente 0.000000000000000001 metros, o lo que es lo mismo, una milésima parte del diámetro típico de un nucleo atómico. Así pues, el problema de la detección de ondas gravitacionales radica en la tecnología para medir distancias tan pequeñas. Y es que esta sería la forma directa de detectar estas ondas. Pero esto no es factible hoy día. ¿Cómo podemos entonces detectar ondas gravitacionales?

LIGO tiene la respuesta. Y la respuesta es interferometría. Construyamos dos túneles, uno perpendicular al otro, de la misma longitud. Generemos un láser perfecto, de un sólo color (longitud de onda), el más puro posible. Lancemos un haz láser y dividámoslo para que recorra ambos túneles y que vuelva a un detector. Si la distancia recorrida por ambos haces es exactamente la misma (como sería lógico pensar) deberían cancelarse en el receptor y no recibir nada. Sin embargo, si una onda gravitacional pasa por nuestros dos túneles, ésta afectará de forma distinta a cada uno de ellos, cambiando la distancia que ambos haces recorren y produciendo así un patrón de interferencia (interferómetro de Michelson-Morley). La medición de este patrón es lo que nos llevará a la detección de ondas gravitacionales.

Livingston

Imagen aérea de uno de los dos observatorios que componen LIGO, concretamente el localizado en Livingston (Louisiana, EEUU). Crédito: Proyecto LIGO.

LIGO comenzó a observar el Universo en busca de ondas gravitacionales en septiembre de 2015 y así se mantuvo hasta enero de 2016, cuando terminó su primera campaña de observación. Entonces mejoraron el instrumento para en enero de 2017 comenzar con la segunda campaña hasta agosto de 2017. De momento, LIGO ha observado ondas gravitacionales provenientes de 4 fusiones de agujeros negros y de una fusión de dos estrellas de neutrones. Estas observaciones, sumadas a predicciones teóricas, nos permiten conocer más sobre el Universo que nos rodea y confirmar lo que la teoría nos dice. Una de las grandes incógnitas a las que LIGO se enfrentaba era vislumbrar el fenómeno físico que hay detrás de los conocidos estallidos de rayos gamma (GRB) de corta duración.

¿Qué son los GRBs de corta duración?

Uno de los procesos más energéticos observados en el Universo hasta la fecha son los denominados estallidos de rayos gamma (GRB). Básicamente son detecciones potentes de rayos gamma (ondas electromagnéticas) provenientes de un lugar concreto del Universo y que pueden durar desde milisegundos hasta horas. Desde sus primeras observaciones en los años 60, se ha tratado de encontrar una causa física que los genere. Aquellos cuya duración es superior a 2 segundos han sido extensamente estudiados, y hoy día creemos que se debe al colapso de estrellas muy masivas en rotación que acaban su vida en una explosión de supernova o hipernova dando lugar a una estrella de neutrones o un agujero negro. Sin embargo, aunque la fusión de dos estrellas de neutrones ha sido propuesta para explicar los GRB de corta duración (menos de dos segundos), en un fenómeno llamado “kilonova”, no ha sido hasta este estudio conjunto de ondas electromagnéticas y gravitacionales que se ha podido comprobar la naturaleza del evento, las masas de sus progenitores, información de la órbita de la fusión, etc.

Artist’s impression of merging neutron stars

Impresión artística de una kilonova. Crédito: ESO.

Llegados a este punto debemos ser honestos y decir que ya el telescopio espacial Hubble en junio de 2013 encontró una contrapartida óptica (kilonova) a un GRB de corta duración. Sin embargo, la enorme distancia que nos separa del lugar de la explosión así como la dificultad de su observación no permitió confirmar su causa física.

Elementos pesados en el Universo:

Pero la significancia del hallazgo va un poco más allá. El carbono que forma nuestros cuerpos, el hierro de nuestras maquinarias o el oro de nuestras joyas se ha forjado en el interior de las estrellas o en fenómenos transitorios como supernovas o las teóricas kilonovas. En particular, de acuerdo a nuestras teorías actuales, la mayoría de los elementos más pesados que el Rubidio que conocemos, incluyendo el 90% del oro que hay en la Tierra, se tuvo que formar en una explosión de tipo kilonova, es decir, en la fusión de dos estrellas de neutrones. Pero esto no dejaba de ser teoría, y toda teoría hay que demostrarla. Pues bien, espectros tomados tras la detección de estas ondas gravitacionales muestran claras evidencias de oro o platino, sugiriendo que, efectivamente, tras la fusión de dos estrellas de neutrones se generan grandes cantidades de metales pesados que son expulsados al medio interestelar.

Entendiendo la significancia del descubrimiento:

Y ahora sí, espero que con toda esta información podamos comprender la magnificencia del fenómeno. No sólo hemos sido capaces de detectar ondas gravitacionales, es decir, de medir de manera indirecta distancias inferiores a una milésima de un nucleo atómico, sino también de deducir, a partir de su patrón, que el causante fue la fusión de dos estrellas de neutrones hace 130 millones de años. De la misma manera, hemos sido capaces de observar que, tal y como la teoría predecía, estos eventos causan lo que conocemos como kilonovas (así como GRB de corta duración) con propiedades características. Y por si esto fuera poco, con este descubrimiento y la observación de su contrapartida electromagnética, hemos sido capaces de confirmar el origen de elementos pesados tan comunes en la Tierra como el oro o el platino.

Así pues, no sólo nos encontramos ante un descubrimiento revolucionario, sino que estamos ante el comienzo de lo que se ha denominado “astronomía multimensajero”. A partir de ahora no sólo podremos estudiar el Universo que nos rodea mediante la luz que nos llega, sino también mediante las ondas gravitacionales emitidas por los fenómenos que gobiernan y modelan el mismo.

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