Hace unos 130 millones de años, en una galaxia muy lejana, dos estrellas de neutrones colisionaron. Este evento es ahora la quinta observación de ondas gravitacionales por parte del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) y la colaboración de Virgo, y la primera detectada no fue causada por la colisión de dos agujeros negros.
Pero este evento, llamado kilonova, también produjo algo más: luz, a través de múltiples longitudes de onda.
Por primera vez en la historia, un fenómeno astronómico se observó primero a través de ondas gravitacionales y luego se observó con telescopios. En un esfuerzo increíblemente colaborativo, más de 3.500 astrónomos que utilizaron 100 instrumentos en más de 70 telescopios de todo el mundo y en el espacio trabajaron con físicos de la colaboración LIGO y Virgo.
Los científicos llaman a esto "astronomía multimessenger".
"En conjunto, todas estas observaciones son más grandes que la suma de sus partes", dijo Laura Cadonati, portavoz adjunta de LIGO en una sesión informativa hoy. "Ahora estamos aprendiendo sobre la física del universo, sobre los elementos de los que estamos hechos, de una manera que nadie ha hecho antes".
"Nos dará una idea de cómo funcionan las explosiones de supernovas, cómo se crean el oro y otros elementos pesados, cómo funcionan los núcleos en nuestro cuerpo e incluso qué tan rápido se está expandiendo el universo", dijo Manuela Campanelli, del Instituto de Tecnología de Rochester. “La astronomía multimessenger demuestra cómo podemos combinar lo viejo con lo nuevo. Ha cambiado la forma en que se hace la astronomía ".
Las estrellas de neutrones son los núcleos sobrantes de estrellas masivas que hace mucho tiempo explotaron como supernovas. Las dos estrellas, ubicadas una cerca de la otra en una galaxia llamada NGC 4993, comenzaron entre 8-20 veces la masa de nuestro sol. Luego, con sus supernovas, cada una condensada a unas 10 millas de diámetro, del tamaño de una ciudad. Estas son estrellas compuestas enteramente de neutrones y se encuentran entre estrellas normales y agujeros negros en tamaño y densidad: solo una cucharadita de material de estrellas de neutrones pesaría mil millones de toneladas.
Se giraron uno al otro en una danza cósmica hasta que su gravedad mutua los hizo chocar. Esa colisión produjo una bola de fuego de proporciones astronómicas y las repercusiones de ese evento llegaron a la Tierra 130 millones de años después.
"Si bien este evento tuvo lugar hace 130 millones de años, solo nos enteramos de esto en la Tierra el 17 de agosto de 2017, justo antes del eclipse solar", dijo Andy Howell del Observatorio Las Cumbres, hablando en una conferencia de prensa hoy. "¡Hemos estado guardando este secreto todo el tiempo y estamos a punto de reventar!"
A las 8:41 am EDT, LIGO y Virgo sintieron los primeros temblores de las ondas del espacio-tiempo, ondas gravitacionales. Solo dos segundos después, el telescopio espacial Fermi de la NASA detectó un destello brillante de rayos gamma. Esto permitió a los investigadores determinar rápidamente la dirección desde la cual venían las olas.
Alertados por un Telegrama de Astrónomos, miles de astrónomos de todo el mundo se apresuraron a hacer observaciones y comenzar a recopilar datos adicionales de la fusión de estrellas de neutrones.
Esta animación muestra cómo LIGO, Virgo y los telescopios espaciales y terrestres ampliaron la ubicación de las ondas gravitacionales detectadas el 17 de agosto de 2017 por LIGO y Virgo. Al combinar datos de las misiones espaciales Fermi e Integral con datos de LIGO y Virgo, los científicos pudieron confinar la fuente de las olas en un parche de cielo de 30 grados cuadrados. Los telescopios de luz visible buscaron una gran cantidad de galaxias en esa región, revelando finalmente que NGC 4993 era la fuente de ondas gravitacionales. (Este evento fue designado más tarde como GW170817).
"Este evento tiene la localización del cielo más precisa de todas las ondas gravitacionales detectadas hasta ahora", dijo Jo van den Brand, portavoz de la colaboración de Virgo, en un comunicado. "Esta precisión récord permitió a los astrónomos realizar observaciones de seguimiento que condujeron a una gran cantidad de resultados impresionantes".
Esto proporciona la primera evidencia real de que la luz y las ondas gravitacionales viajan a la misma velocidad, cerca de la velocidad de la luz, como predijo Einstein.
Participaron observatorios desde los más pequeños hasta los más conocidos, que rápidamente hicieron observaciones. Aunque brillante al principio, el evento se desvaneció en menos de 6 días. Howell dijo que la luz observada fue 2 millones de veces más brillante que el Sol en el transcurso de las primeras horas, pero luego se desvaneció en unos pocos días.
La Cámara de Energía Oscura (DECam), que está montada en el Telescopio Blanco de 4 metros en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en los Andes chilenos, fue uno de los instrumentos que ayudó a localizar la fuente del evento.
"El desafío al que nos enfrentamos cada vez que la colaboración de LIGO emite un nuevo disparador de observación es cómo buscamos una fuente que se desvanezca rápidamente, posiblemente sea débil al principio, y se encuentre en algún lugar por allá", dijo Marcelle Soares-Santos , de la Universidad de Brandeis en la sesión informativa. Ella es la primera autora en el artículo que describe la señal óptica asociada con las ondas gravitacionales. "Es el desafío clásico de encontrar una aguja en un pajar con la complicación adicional de que la aguja está muy lejos y el pajar se está moviendo".
Con el DECam, pudieron determinar rápidamente la galaxia de origen y descartar otros 1,500 candidatos que estaban presentes en ese pajar.
"Las cosas que se parecen a estas" agujas "son muy comunes, por lo que debemos asegurarnos de tener la correcta. Hoy, estamos seguros de que tenemos ", agregó Soares-Santos.
En el departamento muy pequeño, un pequeño telescopio robótico de 16 pulgadas llamado PROMPT (Monitoreo Óptico Robótico Pancromático y Telescopio de Polarimetría), que el astrónomo David Sand de la Universidad de Arizona describió en "básicamente un telescopio aficionado mejorado", también ayudó a determinar la fuente. Sand dijo que esto prueba que incluso los telescopios pequeños pueden jugar un rol en la astronomía multimessenger.
El conocido es liderado por Hubble y varios otros observatorios espaciales de la NASA y la ESA, como las misiones Swift, Chandra y Spitzer. Hubble capturó imágenes de la galaxia en luz visible e infrarroja, presenciando un nuevo objeto brillante dentro de NGC 4993 que era más brillante que una nova pero más débil que una supernova. Las imágenes mostraron que el objeto se desvaneció notablemente durante los seis días de las observaciones del Hubble. Usando las capacidades espectroscópicas del Hubble, los equipos también encontraron indicios de material expulsado por la kilonova tan rápido como un quinto de la velocidad de la luz.
"Este es un cambio de juego para la astrofísica", dijo Howell. "Cien años después de que Einstein teorizara las ondas gravitacionales, las hemos visto y rastreado hasta su origen para encontrar una explosión con nueva física del tipo con el que solo soñamos antes".
Estas son solo algunas de las ideas que este evento único creó, utilizando la astronomía multimessenger:
* Rayos gamma: Estos destellos de luz ahora están definitivamente asociados con la fusión de estrellas de neutrones y ayudarán a los científicos a descubrir cómo funcionan las explosiones de supernovas, explicó Richard O’Shaughnessy, también del Instituto de Tecnología de Rochester y miembro del equipo LIGO. "Las mediciones iniciales de rayos gamma, combinadas con la detección de ondas gravitacionales, confirman aún más la teoría general de la relatividad de Einstein, que predice que las ondas gravitacionales deberían viajar a la velocidad de la luz", dijo.
* La fuente de oro y platino.: "Estas observaciones revelan las huellas digitales directas de los elementos más pesados en la tabla periódica", dijo Edo Berger, del Centro Harvard Smithsonian de Astrofísica, hablando en la sesión informativa. “La colisión de las dos estrellas de neutrones produjo 10 veces la masa de la Tierra solo en oro y platino. Piensa en cómo, a medida que estos materiales salen de este evento, eventualmente se combinan con otros elementos para formar estrellas, planetas, vida ... y joyas ".
Berger agregó algo más en lo que pensar: las explosiones de supernovas originales de estas estrellas produjeron todos los elementos pesados hasta el hierro y el níquel. Luego, en la kilonova en este sistema, podemos ver la historia completa de cómo surgió la tabla periodocial de los elementos pesados.
Howell dijo que cuando divide las firmas de los elementos pesados en un espectro, crea un arco iris. "Así que realmente había una olla de oro al final del arco iris, al menos un arco iris de kilonova", bromeó.
* Astronomía de física nuclear: "Eventualmente, más observaciones como este descubrimiento nos dirán cómo funcionan los núcleos en nuestro cuerpo", dijo O’Shaughnessy. "Los efectos de la gravedad en las estrellas de neutrones nos dirán cómo se comportan las bolas grandes de neutrones y, por inferencia, las pequeñas bolas de neutrones y protones, las cosas dentro de nuestro cuerpo que constituyen la mayor parte de nuestra masa"; y
* Cosmología: - "Los científicos ahora pueden medir independientemente la velocidad de expansión del universo comparando la distancia a la galaxia que contiene el destello brillante de luz y la distancia inferida de nuestra observación de ondas gravitacionales", dijo O’Shaughnessy.
"La capacidad de estudiar el mismo evento con ondas gravitacionales y luz es una verdadera revolución en astronomía", dijo el astrónomo Tony Piro de la CfA. "Ahora podemos estudiar el universo con sondas completamente diferentes, que enseñan cosas que nunca podríamos saber con solo una u otra".
"Para mí, lo que hizo que este evento fuera tan sorprendente es que no solo detectamos ondas gravitacionales, sino que vimos luz a través del espectro electromagnético, visto por 70 observatorios de todo el mundo", dijo David Reitz, portavoz científico de LIGO, en la prensa de hoy. instrucciones. “Esta es la primera vez que el cosmos nos proporciona el equivalente de las películas con sonido. El video es la astronomía observacional en varias longitudes de onda y el sonido son ondas gravitacionales ".
Fuentes: Observatorio Las Cumbres, Telescopio Espacial Hubble, Instituto Tecnológico de Rochester, Kilonova.org, CfA, rueda de prensa.
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