16 Oct 2017.

Telescopios de ESO observan la primera luz de una fuente de ondas gravitacionales.

Por primera vez, los astrónomos han observado tanto ondas gravitacionales como luz (radiación electromagnética) procedentes del mismo evento gracias a un esfuerzo de colaboración global y a una rápida reacción tanto de las instalaciones de ESO como de otras instalaciones internacionales.

El 17 de agosto de 2017, LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, observatorio de ondas gravitacionales de interferómetro láser), de la NSF e instalado en los Estados Unidos, junto con el Interferómetro VIRGO, en Italia, detectaron ondas gravitacionales  pasando por la Tierra. Este evento, el quinto detectado de su tipo, fue bautizado como GW170817. Unos dos segundos más tarde, dos observatorios espaciales, Fermi (Fermi Gamma-ray Space Telescope, telescopio espacial de rayos gamma) de la NASA,  e INTEGRAL (INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory, laboratorio de astrofísica de rayos gamma internacional) de la ESA, detectaron un estallido de rayos gamma corto en la misma zona del cielo.

La red del observatorio avanzado LIGO-Virgo ubicó la fusión dentro de una gran región del cielo austral, del tamaño de varios cientos de lunas llenas, que contiene millones de estrellas [1]. A medida que caía la noche sobre Chile, muchos telescopios estudiaron detenidamente esa zona del cielo en busca de nuevas fuentes. Eso incluyó a los telescopios VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) y al telescopio de sondeo del VLT (VST), ambos en el Observatorio Paranal, el telescopio italiano REM (Rapid Eye Mount), en el Observatorio la Silla de ESO, el Telescopio de 0.4 metros LCO, en el Observatorio Las Cumbres, y el americano DECcam, en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo. El primero en anunciar que había visto un nuevo punto de luz fue el Telescopio Swope de 1 metro. Apareció muy cerca de NGC 4993, una galaxia lenticular en la constelación de Hidra, y las observaciones de VISTA señalaron claramente esta fuente en longitudes de onda infrarrojas casi al mismo tiempo. Dado que la noche se movía hacia el oeste, los telescopios de la isla de Hawái Pan-STARRS y Subaru también la captaron y observaron su rápida evolución.

«Hay ocasiones excepcionales en las que, quienes nos dedicamos a la ciencia, tenemos la oportunidad de presenciar el principio de una nueva era«, afirmó Elena Pian, astrónoma del INAF (Italia) y autora principal de uno de los artículos de la revista Nature. «¡Esta es una de ellas!».

ESO puso en marcha uno de las mayores campañas de observación de “eventos impredecibles” (ToO, Target of Opportunity, en inglés) jamás creadas y muchos telescopios, tanto de ESO como de colaboradores de ESO,  observaron el objeto durante las semanas que siguieron a la detección [2]. El VLT (Very Large Telescope) de ESO, el NTT (New Technology Telescope), el VST (VLT Survey Telescope), el Telescopio MPG/ESO de 2,2 metros y ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) [3], todos observaron el evento y sus efectos en una amplia gama de longitudes de onda. Unos 70 observatorios de todo el mundo observaron también este evento, incluyendo el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA.

Las estimaciones de distancia de los datos recogidos tanto en ondas gravitacionales como en las demás observaciones concuerdan con que GW170817 está a la misma distancia que NGC 4993, a unos 130 millones años luz de la Tierra. Esto hace que la fuente sea tanto el evento de ondas gravitacionales como la explosión de rayos gamma más cercanos detectados hasta ahora [4].

Las ondas en el espacio-tiempo, conocidas como ondas gravitacionales, son creadas por  masas en movimiento, pero, actualmente,  sólo pueden detectarse las más intensas, generadas por los rápidos cambios de velocidad de objetos muy masivos. Un evento de este tipo es la fusión de estrellas de neutrones, núcleos extremadamente densos de estrellas muy masivas que colapsan tras explotar como supernovas [5]. Hasta ahora, estas fusiones han sido la principal hipótesis para explicar los estallido de rayos gamma cortos. Se espera que, a este tipo de evento, le siga un evento explosivo (conocido como kilonova) 1.000 veces más brillante que la típica nova.

Las detecciones casi simultáneas de las ondas gravitacionales y los rayos gamma de GW170817 hace que se tengan esperanzas de que este objeto sea un ejemplar de la tan buscada kilonova, y las observaciones llevadas a cabo con instalaciones de ESO han revelado propiedades notablemente cercanas a las predicciones teóricas. Hace más de 30 años que se postuló la existencia de las kilonovas, pero esta es la primera observación confirmada.

Tras la fusión de dos estrellas de neutrones, una explosión de elementos químicos pesados radiactivos de rápida expansión se alejó de la kilonova a una quinta parte de la velocidad de la luz. El color de la kilonova cambió de muy azul a muy roja durante los días posteriores, el cambio más rápido observado en explosiones estelares.

«Cuando el espectro apareció en nuestras pantallas me di cuenta de que se trataba del evento transitorio más inusual que había visto nunca”, comentó Stephen Smartt, quien dirigió las observaciones con el NTT de ESO como parte del programa de observación ePESSTO (Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects, sondeo espectroscópico de objetos transitorios público de ESO). «Nunca había visto nada igual. Nuestros datos, junto con los de otros grupos, demostraron a todos que esto no era una supernova o una estrella variable de primer plano, sino algo mucho más extraordinario«.

Los espectros de ePESSTO y del instrumento X-shooter, instalado en el VLT, sugieren la presencia de cesio y telurio expulsado de las estrellas de neutrones en fusión. Estos y otros elementos pesados, producidos durante la fusión de las estrellas de neutrones, serían lanzados al espacio por la posterior kilonova. Estas observaciones enlazan la formación de elementos más pesados que el hierro mediante reacciones nucleares dentro de objetos estelares de alta densidad, conocidos como proceso r de captura neutrónica, algo que hasta ahora solo se había teorizado.

«Los datos que tenemos hasta ahora encajan de forma increíble con la teoría. Es un triunfo para los teóricos, una confirmación de que los eventos de LIGO-VIRGO son absolutamente reales y un logro para ESO por haber reunido un sorprendente conjunto de datos sobre la kilonova«, añade Stefano Covino, autor principal de uno de los artículos para la revista Nature Astronomy.

Andrew Levan, autor principal de uno de los artículos, concluye, «La gran fuerza de ESO es que tiene una amplia gama de telescopios e instrumentos para hacer frente a grandes y complejos proyectos astronómicos, incluso para eventos impredecibles y con cortos plazos de tiempo. ¡Hemos entrado en una nueva era de la astronomía multimensajero!«.

Notas

[1] La detección de LIGO–Virgo localizó la fuente en un área del cielo de unos 35 grados cuadrados.

[2] La galaxia sólo es observable en agosto al atardecer y, por aquel entonces, estaba demasiado cerca del Sol en el cielo para poder ser observada en septiembre.

[3] En el VLT, las observaciones se hicieron con el espectrógrafo X-shooter, instalado en la Unidad de Telescopio 2 (UT2); FORS2 (Focal Reducer and low dispersión Spectrograph 2) y CONICA (Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) – Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA) (NACO), en la Unidad de Telescopio 1 (UT1); VIMOS (VIsible Multi-Object Spectrograph ) y VISIR (VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared), instalados en la Unidad de Telescopio 3 (UT3); y MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) y HAWK-I (High Acuity Wide-field K-band Imager) en la Unidad de Telescopio 4 (UT4). El VST observe usando la cámara  OmegaCAM y VISTA observó con VIRCAM (VISTA InfraRed CAMera). A través del programa ePESSTO, el NTT recogió espectros visibles con el espectrógrafo EFOSC2 (ESO Faint Object Spectrograph and Camera 2 y espectros infrarrojos con el espectrógrafo SOFI (Son of ISAAC).  El Telescopio MPG/ESO de 2,2 metros observó usando el instrumento GROND (Gamma-ray Burst Optical/Near-infrared Detector).

[4] La distancia comparativamente pequeña entre la Tierra y la fusión de estrellas de neutrones, 130 millones de años luz, hizo posibles las observaciones, ya que la fusión de estrellas de neutrones crea ondas gravitacionales más débiles que la fusión de agujeros negros, que fue probablemente el caso en las primeras cuatro detecciones de ondas gravitacionales.

[5] Cuando dos estrellas de neutrones se orbitan mutuamente en un sistema binario, pierden energía emitiendo ondas gravitacionales. Se van acercando hasta que, cuando finalmente se encuentran, parte de la masa del remanente estelar se convierte en energía en un violento estallido de ondas gravitacionales, tal como describe la famosa ecuación de Einstein E=mc2.

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