Nuevas aportaciones científicas en modelización de ondas gravitacionales

Nuevas aportaciones científicas en modelización de ondas gravitacionales

Mapa de densidad de la colisión de dos estrellas de neutrones (en la etapa final). Simulaciones en 2-dimensiones realizada por Rubén Cabezon (de su tesis doctoral, dirigida por Domingo García-Senz)

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El grupo de Astronomía y Astrofísica de la UPC ha investigado la modelización y emisión de ondas gravitacionales durante la coalescencia y colisión de estrellas compactas (como sistemas con dos nanas blancas o dos estrellas de neutrones). El trabajo ha servido para aportar conocimiento a estos fenómenos astrofísicos.

08/11/2017

Las ondas gravitacionales predecidas por Albert Einstein continúan revolucionando el mundo de la física. Hace solo dos años de la primera detección directa de ondas gravitacionales (GW150914, 14 de setiembre de 2015), producidas en la coalescencia de dos agujeros negros, por parte de la colaboración LIGO. El anuncio oficial de esta detección, el 11 de febrero de 2016, supuso un antes y un después en la historia de la física, aportando una nueva herramienta de observación del universo, complementaria a la habitual ventana electromagnética (y de otras, como los neutrinos). Hasta esa fecha, la existencia de ondas gravitacionales solo se había podido inferir de manera indirecta, mediante medidas de precisión de la variación del periodo orbital en sistemas estelares dobles, como el púlsar binario PSR B1913+16. La detección de GW150914 fue seguida por la de tres sistemas estelares más, todos ellos formados por agujeros negros. La última de ellas, que fue anunciada el 27 de setiembre pasado, supuso la primera detección simultánea por parte de los observatorios LIGO y VIRGO.

Estos descubrimientos han vuelto a la actualidad recientemente, a raíz de la concesión del Premio Nobel de Física 2017 a Riner Weiss, Barry C. Barish y Kip S. Thorne (el último, investido el mes de mayo doctor honoris causa por la Universitat Politècnica de Catalunya). Los tres científicos han recibido el Nobel por sus decisivas contribuciones al desarrollo del detector LIGO y a la detección de ondas gravitacionales. Además, el 17 de agosto pasado, se anunciaba una nueva fuente emisora de ondas gravitatorias, GW170817, detectada por los observatorios LIGO y VIRGO. Según Jordi José, investigador del grupo de Astronomía y Astrofísica de la UPC, “constituye la primera detección de la coalescencia de dos estrellas de neutrones. Y la primera en ser detectada mediante ondas gravitatorias y radiación electromagnética en múltiples bandas, inaugurando la llamada astronomía “multi-mensajera”.

Se trata –afirma el investigador- de ondas gravitacionales procedentes de un sistema estelar doble, situado a 130 millones de años luz. Unos segundos después de la detección, una erupción de rayos gamma –de muy corta durada- era localizada por el telescopio espacial FERMI (y más tarde, por INTEGRAL), cerca de la zona de emisión de las ondas gravitacionales. “Estas detecciones permitieron acotar la posición y distancia a la fuente emisora con relativa precisión y acometer su posible detección óptica”, explica Jordi José. “Así, 10 horas y 52 minutos más tarde, se identificaba la contrapartida óptica del hecho desde el hemisferio sud, a un punto de la galaxia NGC4993, en la constelación Hidra hembra”. La observación en óptico fue seguida por diversas detecciones en otras bandas (infrarrojos, 11h 36 min; ultravioleta, 15h; ondas radio, 16 dias). En total, unos 70 observatorios han observado el fenómeno en diferentes bandas del espectro electromagnético, de ondas radio a rayos gamma.

¿Qué aporta este descubrimiento en términos científicos? Según apunta el investigador Jordi José, “en primer lugar, la primera detección de una coalescencia de estrellas de neutrones, en forma de kilonova (explosión unas mil veces más energética que una nova clásica); además, supone la posible confirmación de este escenario como responsable de los gamma-ray bursts de corta durada”. José afirma que la observación simultánea de ondas gravitacionales y radiación electromagnética han permitido verificar también que las primeras se desplazan a la velocidad de la luz”. A la vez, este investigador explica que proporcionan una nueva herramienta para profundizar en la estructura y propiedades de las estrellas de neutrones, así como para el estudio del ritmo de expansión del universo.

¿Dónde se forjan elementos cómo el oro y el platino?

Con estos descubrimientos, “quizá, finalmente, hemos encontrado los hornos nucleares cósmicos donde se forjan elementos como el oro y el platino”, asegura el investigador. “Estudios fotométricos de las curvas de luz (evolución de la energía emitida en función del tiempo) en el infrarrojo y el ultravioleta, combinados con el correspondiente análisis espectral, han permitido inferir la presencia de lantánidos (elementos químicos comprendidos entre el lantano y el iterbio) en el material expulsado durante la kilonova, particularmente en una capa de unas 0.04 masas solares, con una concentración de lantánidos del orden del 1% en masa (según se ha publicado en revistas científicas de referencia)". Estos resultados suponen, entonces, “la primera evidencia experimental del llamado proceso-r (del inglés rapid neutrón captures) en la coalescencia de dos estrellas de neutrones, confirmando uno de los posibles escenarios propuestos para su origen”.

De hecho, según concluye Jordi José, “la cantidad de elementos r inferida en GW170817, junto al ritmo de coalescencias de estrellas de neutrones predichos por la teoría, sugieren que estos fenómenos astrofísicos podrían ser las principales factorías cósmicas de la síntesis de elementos r, aportando luz a una de las 11 cuestiones fundamentales de la física, según la relación publicada en el año 2000 por el National Research Council's board on physics and astronomy de los Estados Unidos: cómo se formaron elementos químicos, del hierro al uranio”.

Los trabajos realizados por el grupo de Astronomía y Astrofísica de la UPC han permitido conocer mejor las escalas de tiempos de estos cataclismos cósmicos, caracterizar la emisión de ondas gravitacionales durante el proceso, así como la producción de elementos químicos durante la coalescencia. Esta investigación también ha dado pie a diferentes tesis doctorales realizadas en la UPC y dirigidas por investigadores de este mismo grupo de investigación.

Nuevas aportaciones científicas en modelización de ondas gravitacionales

Mapa de densidad de la colisión de dos estrellas de neutrones (inicio del proceso)

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Nuevas aportaciones científicas en modelización de ondas gravitacionales

Mapa de densidad de la colisión de dos estrellas de neutrones (continuación)

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Nuevas aportaciones científicas en modelización de ondas gravitacionales

Mapa de densidad de la colisión de dos estrellas de neutrones (inicio de la explosión)

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