El descubrimiento de ondas gravitatorias a partir de una fusión de estrella de neutrones y la detección del evento a través del espectro electromagnético dan una idea de muchos aspectos de la gravedad y la astrofísica.
A veces la naturaleza puede ser generosa. Su generosidad estuvo en exhibición el 17 de agosto de 2017, cuando dos remanentes estelares compactos llamados estrellas de neutrones se formaron en espiral a unos 40 millones de parsecs (130 millones de años luz) de distancia. El evento, llamado GW170817, podría decirse que proporciona un tesoro aún mayor que las fusiones de agujeros negros, ya que produjo tanto ondas gravitatorias como radiación electromagnética. GW170817 se detectó en rayos γ y, como se informó en cinco artículos en línea en Nature, en rayos X, luz óptica y luz infrarroja. Como resultado, de un solo golpe, el evento proporciona pruebas de teorías alternativas de la gravedad; un origen claro para una explosión cósmica conocida como estallido de rayos γ; y una fuerte evidencia del camino de formación de al menos algunos de los elementos pesados del Universo (los mucho más pesados que el hierro).
La detección de ondas gravitacionales a partir de la coalescencia de un sistema binario de estrellas de neutrones es, en sí misma, profundamente informativa. A diferencia de los agujeros negros, las estrellas de neutrones carecen de horizontes de eventos, límites más allá de los cuales la materia o la energía no pueden escapar. El análisis de las ondas gravitacionales a partir de una fusión de estrellas de neutrones puede, por lo tanto, facilitar las pruebas previamente imposibles de teorías alternativas de la gravedad que difieren de la teoría de la relatividad general de Einstein solo cuando la materia está presente.
Pero hay un entusiasmo aún mayor sobre GW170817, porque fue acompañado por fuertes señales electromagnéticas (Fig. 1). Esto significa que, por primera vez, es posible vincular la detección de ondas gravitacionales con el resto de la astronomía. Los honores para la primera señal electromagnética reportada van al Monitor de Ráfagas de Rayos Gamma a bordo del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA, que -independientemente de la detección de ondas gravitacionales- recogió un rayo de rayos γ formado tan solo dos segundos después del neutrón estrella fusión6. Las propiedades del flash son generalmente consistentes con las de ráfagas cortas de rayos γ, que durante mucho tiempo se sospechaba que estaban relacionadas con fusiones de estrellas de neutrones. El aspecto ganador de la lotería de GW170817 puede ser subrayado por la revelación de que el evento ocurrió más de diez veces más cerca de la Tierra que cualquier ráfaga corta de rayos γ previamente medida, lo que hará que sea más fácil de estudiar.
Fig. 1
Aún más afortunado fue que, a diferencia de los primeros tres descubrimientos de ondas gravitacionales, el detector de ondas gravitacionales Virgo, así como el interferómetro láser de onda gravitatoria Observatorio (LIGO), estaba operando durante GW170817. El detector Virgo está situado en las afueras de Pisa, en Italia, y su distancia de los detectores LIGO con sede en EE. UU. En Hanford, Washington y Livingston, Luisiana, permitió determinar la ubicación de GW170817 en el cielo con una incertidumbre de unos 30 grados cuadrados1, comparado con 600 grados cuadrados o más para las primeras tres detecciones.
El descubrimiento de GW170817 dio lugar a una campaña de seguimiento tremendamente exitosa, cuyos resultados se informan en los documentos actuales. Por ejemplo, algunas ráfagas de rayos gamma parecen ser extremadamente intensas dada su distancia de la Tierra, y los modelos bien establecidos indican que vemos tal intensidad porque nuestra línea de visión está cerca del eje de un «jet» fuertemente colimado de movimiento de material cerca de la velocidad de la luz. Por el contrario, los rayos γ de GW170817 son notablemente débiles. Troja et al. utilizar datos del Observatorio de Rayos X Chandra basado en el espacio para mostrar que esto puede entenderse si somos observadores fuera del eje del chorro asociado con GW170817. Esto abre la intrigante posibilidad de que veamos muchas ráfagas de rayos γ como débiles no porque estén distantes, sino porque las vemos desde un ángulo desfavorable.
En los últimos años, ha habido un creciente cuerpo de trabajo teórico que predice que las fusiones de sistemas binarios de estrellas de neutrones generan un flujo de materia que irradia luz óptica e infrarroja de una manera característica. Esto se debe a que tales fusiones son sucios: una pequeña fracción de la materia rica en neutrones en las estrellas se cree que es expulsado por el plano orbital del sistema, donde los neutrones y los protones se combinan para formar los elementos pesados, y al hacerlo, producen una firma brillo. Arcavi y otros, Pian et al. y Smartt et al. informe que han encontrado esta firma asociada con GW170817.
Como se discutió por Kasen et al., Las predicciones anteriores habían sido que la salida de materia a lo largo del plano orbital conduciría a una emisión que aumenta y luego cae durante muchos días, y que alcanza su punto máximo en la región infrarroja del espectro electromagnético. Pero algunos trabajos sugirieron que, para la salida aproximadamente perpendicular al plano orbital, los neutrinos producidos en la fusión interactuarían con la salida y reducirían el número de neutrones. Comparado con el caso del flujo de salida del plano orbital, esto llevaría a la producción de elementos más ligeros, como el hierro, y, a su vez, daría lugar a emisiones que subirían y bajarían más rápidamente, y algunos observadores verían que alcanzarían un pico en el rango óptico
Lo que Arcavi et al., Pian et al. y Smartt et al. encontrar es algo así como un híbrido de estos dos escenarios. Se observa un aumento y una caída rápidos y un pico óptico. Además, la velocidad de eyección (aproximadamente el 20% de la velocidad de la luz) y la masa (un pequeño porcentaje de la masa del Sol) son consistentes con simulaciones numéricas de fusiones de estrellas de neutrones dobles. Por lo tanto, los tres artículos coinciden en que al menos la etapa inicial del flujo de salida observado está dominada por elementos más ligeros. Para el desarrollo posterior, sin embargo, aún no se ha llegado a un consenso. Smartt et al. descubra que, hasta aproximadamente dos semanas después de la fusión, todo el espectro óptico e infrarrojo cercano se puede explicar por la formación de elementos más ligeros. Por el contrario, Pian et al. y Kasen et al. favorecer la aparición de una composición de elementos pesados durante este tiempo.
Una de las cuestiones en juego es el origen de los elementos del ‘proceso r’ (el más atractivo para la mayoría de las personas es el oro). Estos elementos son llamados así porque pueden ser producidos solo en ambientes que son tan ricos en neutrones que los neutrones se combinan con los núcleos más rápidamente (de ahí que la ‘r’) que los núcleos se descomponen en isótopos estables. Los primeros trabajos favorecieron a las supernovas como el origen de estos elementos, pero en los últimos años, los análisis se han inclinado hacia la fusión de objetos compactos, como las estrellas de neutrones, como las principales fábricas de procesos en r.
Por todas estas razones, GW170817 representa una oportunidad notable para hacer progresos importantes en múltiples campos de la física y la astrofísica, y despierta nuestro deseo de las muchas observaciones esperadas de fusiones de estrellas de neutrones en futuras campañas. Veamos qué nos depara la naturaleza a continuación.
Fuente: Nature.