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Estrellas en ascenso de la astronomía de múltiples mensajes

noviembre 13, 2018
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Hay un gran subconjunto de astrónomos y astrofísicos que recuerdan dónde estaban la mañana del 17 de agosto de 2017.

Edo Berger estaba en una reunión del comité de revisión del currículo.

Colleen Wilson-Hodge acababa de ir del gimnasio a un entrenamiento de gestión.

Marcelle Soares-Santos estaba dormida, después de haberse quedado despierta hasta tarde la noche antes de analizar los datos de una colisión entre dos agujeros negros distantes.

Cada uno fue interrumpido por una alerta de que una red de detectores había recibido una señal particularmente fuerte de un evento astronómico. Todos se lanzaron a una acción para ver si podían encontrar de dónde venía.

El descubrimiento que siguió -que las señales provenían de una colisión de dos estrellas colapsadas llamadas estrellas de neutrones- validó modelos teóricos, planteó nuevas preguntas e inauguró una nueva era de astronomía y astrofísica, brindando a los científicos nuevas herramientas para comprender cuestiones fundamentales sobre nuestro universo.

Alrededor de una semana después de la alerta, los observatorios de ondas gravitacionales cuya detección había desencadenado la cascada de eventos se cerraron para mantenimiento programado y actualizaciones.

Ahora, un año después, siguen llegando las últimas ondas de radio y rayos X de la colisión de estrellas de neutrones. Y la comunidad de astrofísica y astronomía se está preparando para principios de 2019, cuando los observatorios de ondas gravitacionales están programados para comenzar su próxima ejecución.

Una nueva señal

Las ondas gravitacionales se han descrito como ondas en el tejido del espacio-tiempo. Son la estela que queda cuando un objeto con atracción gravitacional -por lo tanto, cualquier objeto con masa- cambia su velocidad. Cuando dos enormes estrellas de neutrones atraviesan un cambio particularmente drástico por colisión y fusión, las ondas gravitacionales liberadas son lo suficientemente potentes para que los científicos las detecten en la Tierra, a 130 millones de años luz de distancia.

Eso es lo que sucedió a las 12:41 hora universal del pasado mes de agosto. Los detectores del interferómetro láser de onda gravitatoria en Hanford, Washington y Livingston, Louisiana, registraron ondas gravitatorias que nadie había visto nunca. Las señales anteriores de ondas gravitacionales habían durado unos segundos; este estaba en rango por más de 100. Datos adicionales del detector de ondas gravitacionales Virgo cerca de Pisa, Italia, ayudaron a los científicos a triangular el origen de las ondas gravitacionales en el cielo.

El astrofísico Wilson-Hodge, el investigador principal del equipo del Monitor de Ráfagas de Rayos Gamma del Telescopio Espacial Fermi Gamma-ray del equipo espacial de la NASA, estaba en entrenamiento, aprendiendo cómo motivar a su equipo. Cuando recibió la notificación de LIGO-Virgo, sabía que la motivación no sería difícil de encontrar: el GBM envió una alerta propia esa mañana de una ráfaga de luz de alta energía llamada estallido de rayos gamma, grabada solo dos segundos después de que la señal de la onda gravitacional pasara a la Tierra. “Estaba bastante claro que era algo realmente emocionante”, dice ella.

Un análisis rápido de las señales de LIGO-Virgo y Fermi desencadenó una cascada de detecciones de seguimiento. Soares-Santos, entonces astrofísico en el Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de Estados Unidos, y Berger, profesor de astronomía en la Universidad de Harvard, respondieron a la intrigante alerta de LIGO-Virgo con sus colegas del Dark Energy Survey.

Soares-Santos y Berger recibieron la alerta temprano en la mañana, pero tendrían que esperar hasta la noche en Chile para usar la Cámara de Energía Oscura, que es financiada en parte por la Oficina de Ciencia del DOE, para verla. Eso significó 10 horas para coordinar y planificar, creando una lista de posibles ubicaciones de galaxias. Sabían que, una vez que se pusiera el sol, tendrían solo alrededor de una hora para tratar de encontrar la fuente antes de que se moviera por debajo del horizonte.

“Fue muy intenso”, dice Soares-Santos. “Todos se juntaron y jugaron su parte”.

Una vez que el reloj estaba funcionando, comenzaron a fotografiar sistemáticamente el área del cielo, y luego a controlar manualmente esas imágenes en comparación con las imágenes anteriores. No pasó mucho tiempo hasta que encontraron un nuevo punto brillante cerca de la galaxia NGC 4993.

“Fue increíble”, dice Berger. “Fue muy claro. No hubo ambigüedad. Fue mucho mejor que cualquier cosa que haya imaginado “.

Otros cinco equipos también lograron identificar de forma independiente la galaxia anfitriona en los primeros minutos de la noche chilena. Al final, unos 70 detectores terrestres y espaciales captaron señales de la fusión de estrellas de neutrones en el cielo. Fue la primera instancia moderna de astronomía de mensajería múltiple, que detecta un evento cósmico con al menos dos tipos de señales, como la luz (incluidos los rayos gamma y los rayos X) y las ondas gravitacionales.

Reescribiendo los libros de texto de física

Los astrónomos observaron la fusión con telescopios ópticos durante tres semanas después del descubrimiento, hasta que ya no estuvo dentro de su campo de visión. Pero los radiotelescopios de Very Large Array en Nuevo México y el satélite del Observatorio de Rayos X Chandra continúan observando las ondas de radio y los rayos X, respectivamente, del evento. Las ondas de radio y los rayos X comenzaron a oscurecerse y luego se volvieron más intensos durante los primeros 200 días. Solo ahora están comenzando a desvanecerse.

“La manifestación de lo que sucede después de la fusión es tan compleja”, dice Berger. “Están pasando todos estos procesos diferentes. Todavía estamos en el proceso de remendar una historia completa de lo que pasó con esto “.

Una cosa que ya está clara es que el modelo teórico de un kilonova, un término acuñado en 2010 por el profesor de la Universidad de Columbia Brian Metzger para describir la brillante colisión de estrellas de neutrones, ha resultado ser un elegante predictor del proceso de fusión. “Fue muy surrealista ver la entrada de datos”, dice Metzger. “Si no tuviéramos la teoría para predecir cómo sería, no sabríamos qué buscar. Para mí, fue una reivindicación “.

También probó la teoría de que las reacciones nucleares que ocurren dentro del kilonova, llamado proceso de captura rápida de neutrones o proceso r, fueron la fuente de la mayoría, si no de todos, de los metales pesados ​​del universo como el oro, el platino y la plata.

“Es realmente increíble”, dice Berger. “Eso no es lo que dice en los libros de texto”.

“El material que terminó en mi propia alianza de boda fue una vez, probablemente, cerca de un agujero negro”, dice Metzger. “Eso es bastante salvaje”.

Los investigadores finalmente pudieron describir lo que probablemente sucedió cuando las estrellas se fusionaron: brevemente se convierten en una estrella de neutrones masiva antes de colapsar en un agujero negro. Además, el evento otorgó a los astrofísicos como Soares-Santos otra forma de medir la velocidad a la que se expande el universo, llamado parámetro de Hubble. “Dado que la cosmología es mi tierra natal, eso es realmente emocionante”, dice Soares-Santos.

Una nueva era de astronomía multi-messenger

La investigación de la fusión ha dado como resultado unos 800 documentos (y contando) y numerosos premios, pero para astrónomos y astrofísicos, también es el comienzo de un nuevo comienzo.

“Ahora tenemos la clave para entender el universo de una nueva manera”, dice Soares-Santos, quien ahora es profesor en la Universidad de Brandeis. “Podemos usar los siglos de experiencia construidos sobre la observación de los cielos en el espectro electromagnético y agregar esta nueva información para construir una imagen completa”.

Cuando LIGO y Virgo encienden nuevamente a principios de 2019, los investigadores predicen que podrían ver hasta 10 eventos de estrellas de neutrones en un año.

Eso nunca ha sido una posibilidad antes, dice Soares-Santos. “Si tenemos que hacer esto 10 veces en un año, probablemente no vamos a sobrevivir”.

El grupo de Berger ha publicado cerca de 20 documentos del evento del 17 de agosto y continúa buscando nuevas formas de analizar los datos. “Estoy emocionado y ligeramente aterrorizado ante la perspectiva de un evento al mes”, dice.

Para lidiar con el inminente diluvio, los investigadores están trabajando para automatizar los procesos para priorizar mejor los recursos y coordinar la comunicación cuando ocurren los eventos. Organizar miles de astrónomos independientes en todo el mundo no es una tarea fácil, dice Soares-Santos.

“Lo único que nos mantiene a todos juntos es el interés en la misma ciencia”, dice ella. “Me sorprende cada día que pudimos hacer que esto suceda”.

Cuando las estrellas de neutrones se encuentran con los agujeros negros

En la próxima corrida de LIGO-Virgo, los astrónomos esperan descubrir si esta colisión de estrella de neutrones fue típica y ser testigos de otro tipo de evento: una estrella de neutrones que se fusiona con un agujero negro. ¿Una estrella de neutrones acaba de caer en un agujero negro, o se tritura primero? Ver tal evento podría proporcionar una nueva forma de estudiar las propiedades del horizonte de eventos, el “punto de no retorno” alrededor de un agujero negro.

“Todo el campo va a explotar ahora”, dice Metzger.

Berger, un experto en estallido de rayos gamma, espera ver una fusión de estrellas de neutrones en la que el chorro, la corriente de material eyectado por la colisión, apunta directamente a la Tierra. En la fusión de agosto de 2017, los astrónomos creen que vieron el avión en un ángulo; un chorro bien alineado podría ser mucho más brillante y podría permitir a los astrónomos observarlo durante meses o años. “Eso sería un evento increíble”, dice. “Ese sería el que tiraría todos los recursos que tenemos”.

Wilson-Hodge y sus colegas están desarrollando ideas para futuras misiones de la NASA, incluido el lanzamiento de detectores de rayos X y rayos gamma más sensibles. “Todos están muy entusiasmados con la capacidad de hacer astronomía con estas nuevas herramientas”, dice. “Ver la ciencia que podemos expandir es realmente emocionante”.

Quizás lo más importante es que la detección de colisiones ha traído nueva energía al campo e inspirado a una generación más joven de astrónomos ansiosos por aprovechar una nueva forma de entender el cosmos.

“Es el regalo que sigue dando, en un sentido realmente increíble”, dice Berger. “Es emocionante y agotador. Es todo lo que amo de la ciencia “.