La astrof¨ªsica de las nuevas ondas

Durante milenios, nuestra capacidad de aprender del cielo ha estado limitada a la sensibilidad que tienen nuestros ojos a la luz visible, una franja muy estrecha de toda la radiaci¨®n electromagn¨¦tica. El siglo XX, con el desarrollo de telescopios en otros rangos como el infrarrojo, los rayos X, o el ultravioleta, supuso una expansi¨®n de nuestras capacidades. Adquirimos, como los superh¨¦roes, habilidades que iban mucho m¨¢s all¨¢ de lo visible y que nos han permitido explorar el universo m¨¢s energ¨¦tico, pero tambi¨¦n el m¨¢s fr¨ªo, el m¨¢s lejano y el m¨¢s oscuro. El siglo XXI, con las detecciones de las ondas gravitatorias y los neutrinos astrof¨ªsicos, ha comenzado con la promesa de una ciencia que nos libere, al menos a los astrof¨ªsicos, de la tiran¨ªa de los fotones.

Ve¨¢moslo de este modo, hasta ahora con los fotones, u ondas electromagn¨¦ticas, hemos tenido la posibilidad de explorar las part¨ªculas del universo y las interacciones cu¨¢nticas que las gobiernan. Con las ondas gravitatorias se abre una v¨ªa que posibilita investigaciones que van m¨¢s all¨¢, c¨®mo abordar la relaci¨®n entre materia y energ¨ªa, espacio y tiempo. Para el avance del conocimiento, la detecci¨®n de ondas gravitatorias y ondas electromagn¨¦ticas en la misma fuente es explosiva, como la kilonova donde se detectaron ambas por primera vez.

Con las ondas electromagn¨¦ticas todas sabemos de lo que hablamos, basta simplemente mencionar la palabra luz. Las ondas gravitatorias son otra cosa. Aparecen dentro del contexto de la relatividad general y nos dan informaci¨®n del comportamiento de la masa en los fen¨®menos m¨¢s extremos que ocurren en el universo. Para que se produzcan ondas gravitatorias que podamos medir necesitamos sistemas con campos gravitatorios fuertes (que generan una gran curvatura del espacio-tiempo) y con mucha aceleraci¨®n. Con los detectores actuales la se?al detectable de las fuentes m¨¢s intensas de ondas gravitatorias tienen la forma de sistemas binarios que contienen dos objetos compactos: estrellas de neutrones o agujeros negros.

Esta combinaci¨®n de detecciones con diferentes ondas ¡°mensajeras¡± permite una ciencia que no es posible de otro modo

Lo que ocurri¨® en 2017 muy probablemente quedar¨¢ reflejado para siempre en los libros de historia de la ciencia. En agosto de ese a?o los interfer¨®metros LIGO-Virgo detectaron la se?al de ondas gravitatorias que se identific¨® como la fusi¨®n de dos estrellas de neutrones localizada a unos 130 millones de a?os luz de distancia. Con menos de dos segundos de retraso, lleg¨® la primera se?al electromagn¨¦tica: los rayos gamma de alta energ¨ªa del cataclismo explosivo provenientes de la misma regi¨®n del cielo. La contrapartida ¨®ptica, la responsable, una kilonova, se detect¨® 11 horas despu¨¦s. Estaba localizada en la galaxia NGC 4993 y se apagaba y enrojec¨ªa muy r¨¢pidamente. Pero es que adem¨¢s una semana m¨¢s tarde se midi¨® emisi¨®n en rayos X y en radio permitiendo una comprensi¨®n del evento como nunca antes hab¨ªa sido posible.

Con la reconstrucci¨®n de los hechos que nos permiten los diferentes tipos de se?ales, ahora sabemos que los humanos fuimos testigos de la fusi¨®n de dos estrellas de neutrones. Lo que vimos con diferentes tipos de ondas nos permite establecer que las estrellas ten¨ªan masas de 1,4 y 1,6 veces la masa del Sol (o 1,2 y 1,4 si se considera que rotaban lentamente antes de la fusi¨®n). Podemos determinar la geometr¨ªa de la explosi¨®n, una especie de reloj de arena con chorros de alta velocidad y colocar en el espacio el eje del chorro de part¨ªculas relativistas generadas por la fusi¨®n para determinar que apuntaba a unos 15-30 grados de nosotros. A partir del material rico en neutrones que se gener¨® en el evento (52 veces la masa de J¨²piter) identificamos directamente, y por primera vez, el lugar donde se sintetizan elementos pesados por un proceso que conocemos como captura neutr¨®nica r¨¢pida. Pero es que adem¨¢s, debido a que conocemos la distancia, y que las se?ales gravitacionales y luminosas llegaron con menos de dos segundos de diferencia entre ellas, podemos concluir que no hay diferencia entre la velocidad de la gravedad (la gravedad no es instant¨¢nea, pero eso lo dejamos para otro post) y la velocidad de la luz.

Esta combinaci¨®n de detecciones con diferentes ondas ¡°mensajeras¡± permite adem¨¢s una ciencia que no es posible de otro modo, por ejemplo, medir la constante de Hubble (y con ello la edad del universo) por m¨¦todos independientes. Pero tambi¨¦n ayuda a esclarecer cuestiones relacionadas con la f¨ªsica fundamental como la constancia de la velocidad de la luz y las ondas gravitatorias o la ecuaci¨®n de estado de materia densa.

Lo espectacular de esta primera detecci¨®n es que ha abierto m¨¢s interrogantes que cuestiones ha zanjado: ?c¨®mo se forman esas binarias?, ?son frecuentes?, ?son estos sistemas la fuente de todos los elementos pesados como el platino, el oro o el iridio en el universo?. As¨ª es la ciencia. Ahora tenemos todos los telescopios preparados para cuando, a mediados del pr¨®ximo a?o, finalice la actualizaci¨®n de los detectores de ondas gravitacionales que les proporcionar¨¢ sensibilidad para detectar eventos a mayores distancias. Una detecci¨®n de ondas gravitacionales pondr¨¢ en marcha una campa?a de activaci¨®n que recorrer¨¢ todos los observatorios del mundo para identificar la contrapartida, incluyendo observatorios en tierra y espaciales de alta y baja energ¨ªa. Aunque lo que detectemos ya pertenezca al pasado (ya ha ocurrido) lo que aprendamos nos espera en el futuro.

Eva Villaver es investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas y del Instituto Nacional de T¨¦cnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA).

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista cient¨ªfico sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de 1 ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La secci¨®n la integran Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez, investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa; Patricia S¨¢nchez Bl¨¢zquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa.

Puedes seguir a MATERIA en Facebook, Twitter e Instagram, o apuntarte aqu¨ª para recibir nuestra newsletter semanal.