“Hay ocasiones excepcionales en las que, quienes nos dedicamos a la ciencia, tenemos la oportunidad de presenciar el principio de una nueva era”, afirma la astrónoma italiana Elena Pian. La investigadora es miembro del equipo internacional de científicos que ha logrado detectar la quinta onda gravitacional de la historia. Por primera vez los investigadores han observado la luz procedente de la fuente de ondas gravitacionales, la fusión de dos estrellas de neutrones.

La onda gravitacional, cuya señal ha recibido la denominación de GW170817, fue detectada el pasado 17 de agosto de 2017 a las 12:41:04 de forma simultánea por los observatorios de Advanced LIGO (Estados Unidos) y VIRGO (Italia). Dos segundos después, los satélites Fermi de la NASA y el laboratorio INTEGRAL de la Agencia Espacial Europea observaron un corto estallido de rayos gamma en la misma región del cielo.

La onda gravitacional más cercana a la Tierra

La fusión de las dos estrellas de neutrones, según las estimaciones de los investigadores, ocurrió a 130 millones de años luz de la Tierra, muy cerca de NGC 4993, una galaxia con forma lenticular situada en la constelación de Hidra. Los cálculos realizados por los científicos muestran que se trata de la onda gravitacional más cercana y de la explosión de rayos gamma más próxima detectadas hasta la fecha.

El hecho de que ambos eventos estén ubicados a poca distancia de nuestro planeta, en comparación con el resto de ondas gravitacionales que habían sido escuchadas durante los últimos meses, ha permitido determinar el origen inesperado de esta nueva señal. El motivo es que la fusión de estrellas de neutrones crea ondas gravitacionales más débiles que las originadas por la colisión de agujeros negros, la fuente de las cuatro señales detectadas anteriormente.

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Las fotografías muestran la evolución de la kilonova de NGC 4993. Crédito: ESO/N.R. Tanvir, A.J. Levan y colaboración VIN-ROUGE.

El anuncio, realizado a través de una serie de artículos en la revista Nature y en otras publicaciones, confirma las predicciones realizadas sobre las kilonovas. Estos eventos son los potentes estallidos, mil veces más brillantes que la clásica nova, que suceden tras la fusión de dos estrellas de neutrones. Hasta ahora no se había observado directamente ninguna explosión de este tipo, predicha por los teóricos hace algo más de tres décadas. La investigación supone además la evidencia más sólida acerca del origen de los estallidos de rayos gamma de corta duración.

Qué son las estrellas de neutrones

Las estrellas de neutrones son objetos muy compactos y masivos que giran muy rápido. Cuando una estrella gigante agota su combustible y colapsa, ocurre un proceso de fotodesintegración de los materiales que la componen y la unión de electrones y protones para dar lugar a neutrones y neutrinos. Como resultado, las estrellas de neutrones son los cuerpos más densos que existen en el universo.

Según explican desde la Universidad Nacional Autónoma de México, un objeto de este tipo “tiene una masa de un par de masas solares contenidas en una esfera de 10 km de radio”. Debido a la enorme masa y al minúsculo radio que presenta, la gravedad en la superficie de una estrella de neutrones es enorme. Estos objetos cuentan además con un campo magnético muy intenso, una característica que, unida a su elevada velocidad de rotación, provoca que las estrellas de neutrones se comporten como una especie de faro de luz.

La quinta onda gravitacional detectada ahora procede de la fusión de dos estrellas de neutrones, que posiblemente murieron hace unos 10.000 millones de años. Las estrellas de neutrones que se orbitan mutuamente van perdiendo energía de forma gradual emitiendo ondas gravitacionales. Cuando finalmente se encuentran y se fusionan, parte de la masa de estos remanentes estelares se transforma en energía en una violenta explosión de ondas gravitacionales, tal y como describe la famosa ecuación de Albert Einstein (E=mc2).

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Imagen cedida por el CSIC.

“Hace casi tres décadas se predijo que una fusión de dos estrellas de neutrones produciría un estallido corto de rayos gamma, ondas gravitatorias y una kilonova, un fenómeno similar a una supernova pero cuya energía procede en parte del decaimiento de especies radiactivas. Gracias a los estudios de GW170817, ha podido confirmarse este escenario”, explica Christina Thöne, investigadora del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC).

“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”, destaca Stefano Covino, autor principal de uno de los artículos publicados hoy.

Por otro lado, el estudio ha permitido establecer una relación entre este tipo de eventos y la producción de elementos químicos más pesados que el hierro. Los científicos comprobaron que, tras la fusión de las dos estrellas de neutrones, se dispersaron especies químicas a una quinta parte de la velocidad de la luz por culpa de la kilonova. Estos procesos asocian la formación de elementos más pesados que el hierro con reacciones nucleares que suceden dentro de objetos estelares muy densos, un mecanismo denominado proceso r de captura neutrónica, que nunca se había visto de forma directa. Hasta la fecha se discutía si las supernovas eran las fuentes de estos elementos químicos, pero los últimos estudios apuntan a las estrellas de neutrones como principales fábricas de estas especies.

Un hallazgo que llega después del Nobel

El descubrimiento de la quinta onda gravitacional llega días después de que el Premio Nobel de Física 2017 galardonase el trabajo de Rainer WeissKip Thorne y Barry Barish. Los tres investigadores, junto con Ronald Drever —fallecido hace unos meses— fueron figuras clave en el diseño y el desarrollo de Advanced LIGO, el observatorio que ha participado en todas las observaciones de ondas gravitacionales realizadas hasta la fecha. Los históricos resultados, en los que también formó parte la española Alicia Sintes, permitieron confirmar la predicción postulada por la teoría de la relatividad general de Albert Einstein hace más de un siglo.

Las ondas gravitacionales, reconocidas como el mejor avance científico del año pasado según la revista Science, son ondulaciones muy débiles que ocurren en el espacio-tiempo. Si lanzamos una piedra en un estanque, en el lugar donde caiga sucederá una pequeña perturbación que se puede detectar al observar las suaves ondas que se propagan en el agua. Lo mismo ocurre en el universo: algunos de los fenómenos más exóticos y violentos, como las explosiones de supernovas, la colisión de dos agujeros negros o el Big Bang, producen susurros cósmicos muy tenues que somos capaces de escuchar gracias a los grandes observatorios como Advanced LIGO o Virgo. Su detección ha permitido abrir una nueva ventana al cosmos para entender este tipo de eventos, como la fusión de estrellas de neutrones y su contrapartida lumínica anunciadas hoy.