Fusión de una estrella de neutrones y agujero negro

La UNAM, mediante el Observatorio Astronómico Nacional (OAN) a cargo del Instituto de Astronomía (IA), participó en el seguimiento de la fusión de una estrella de neutrones con un agujero negro observada por los detectores de ondas gravitacionales LIGO y VIRGO, que confirmaron así la existencia de esta clase de fuentes en el universo.

Lo anterior fue posible por medio del telescopio robótico DDOTI (Deca-Degree Optical Transient Imager), ubicado en el OAN en San Pedro Mártir, Baja California, el cual recibe automáticamente alertas para observar la región del cielo donde se registra la emisión de ondas gravitacionales.

La observación y caracterización de esa especie de olas, que se propagan por el cosmos a la velocidad de la luz, es importante porque es una manera complementaria de estudiar el universo. Hasta antes de su descubrimiento por medio del experimento estadunidense LIGO hace pocos años, se había examinado el cosmos esencialmente sólo con ayuda de luz de diferentes colores (radio, óptico, infrarrojo, rayos X o rayos gamma).

Información nueva y complementaria

Hoy en día, “las ondas gravitacionales proporcionan información nueva y complementaria que antes no teníamos sobre qué está pasando en el universo, en particular con eventos violentos como fusiones y explosiones que involucran el movimiento de grandes cantidades de masa a velocidades relativistas”, explicó William Lee Alardín, investigador del Instituto de Astronomía y uno de los líderes del proyecto.

En septiembre de 2015 se realizó la primera detección directa de ondas gravitacionales, perturbaciones del espacio-tiempo predichas por la teoría de la relatividad general de Einstein hace más de 100 años. Ese hallazgo histórico, que fue dado a conocer en febrero de 2016, marcó el inicio de una nueva era para la astronomía.

Lee Alardín recordó que las ondas se producen cuando cantidades importantes de masa, comparables con el tamaño de una estrella, se desplazan o se sacuden a grandes velocidades. Un objeto de masa parecida a la del Sol que se mueve a una velocidad cercana a la de la luz (300 mil kilómetros por segundo), produce perturbaciones que viajan alejándose de la fuente, “como cuando tiramos una piedra en un estanque y se producen ondas o anillos concéntricos que se van propagando, y si hay una hoja flotando se mueve para arriba y para abajo porque pasó la ola”.

En este caso, expuso Rosa Leticia Becerra Godínez, investigadora posdoctoral en el Instituto de Ciencias Nucleares y quien lideró la investigación del seguimiento en la UNAM, se trató de la unión de dos objetos de 5.7 y 1.5 masas solares observada por los detectores de ondas gravitacionales LIGO (en Estados Unidos) y VIRGO (en Italia) el 15 de enero de 2020.

“Por las características de las ondas gravitacionales, sabemos que si uno tiene menos de tres masas solares se trata de una estrella de neutrones, y como el otro tiene más de cinco veces la masa del Sol nos lleva a concluir que es un agujero negro”. El evento, denominado GW200115, abundó la científica, se ubicó a una distancia de 300 mega parsecs, es decir, aproximadamente mil millones de años luz de distancia de la Tierra.

Al respecto, el coordinador enfatizó que se trata de la observación de un sistema nunca visto. En la fusión de dos agujeros negros, sólo se detectan ondas gravitacionales; en la colisión de dos estrellas de neutrones, además se produce una señal luminosa muy breve llamada destello de rayos gamma, dado que las estrellas se encuentran a altísimas temperaturas (más de 10 mil millones de grados Kelvin) y asimismo una emisión secundaria sobre un plazo más largo llamada una kilonova (parecida a una supernova, pero mil veces menos brillante).

En esta ocasión, el evento fue producto de un sistema mixto conformado por una estrella de neutrones y un agujero negro, que “pensábamos que existía en el universo, pero que nadie había visto directamente y eso es muy emocionante”.

En principio, por la presencia de una estrella de neutrones, el fenómeno puede producir un destello de rayos gamma generado por un chorro relativista, así como una contraparte en luz visible cuando interactúa con el medio circundante y posteriormente una kilonova por decaimientos radioactivos, además de las ondas gravitacionales. Sin embargo, este evento en particular no tuvo una contraparte observable por los telescopios satelitales y terrestres, incluyendo DDOTI, que lo siguieron. Lo anterior puede deberse a que la estrella fue tragada de un solo bocado por el agujero negro, sin ser destrozada antes por las poderosas fuerzas de marea que genera en su vecindad, o a que la emisión fue tan débil que los telescopios no alcanzaron a percibirla. No obstante, aclaró Lee Alardín, de cualquier modo se obtiene información relevante acerca del comportamiento de la materia a altas densidades, entre otros aspectos.

Área de visión muy grande

El seguimiento del objeto realizado por el grupo de la UNAM fue posible gracias a DDOTI, un sistema robótico de seis telescopios que opera a partir de 2017, propuesto por el investigador del IA, Alan Watson Forster, también líder del proyecto instalado en el OAN.

Cada uno de los telescopios tiene un campo de 3.4 por 3.4 grados, “que es mucho, pero no suficiente porque la incertidumbre en la posición que recibe DDOTI es muy grande, así que montados juntos y apuntados ligeramente distinto cada uno hacia el cielo, tienen un campo seis veces mayor”, de casi 70 grados cuadrados.

Así, el sistema tiene un área de visión muy grande y “vemos toda la región definida por los observatorios de ondas gravitacionales con la esperanza de encontrar algo. Una vez que lo localizamos, usamos otros telescopios más grandes para estudiarlo con mayor detalle”, mencionó Watson Forster.

Becerra Godínez comentó que una ventaja de este sistema en relación con otros instrumentos es que podemos mapear áreas de mayor tamaño y tener una estrategia de observación más eficiente. Asimismo, el sitio del OAN tiene excelentes noches, ya que las condiciones climatológicas y la oscuridad del cielo son de las mejores del mundo para el trabajo astronómico y propician que nuestras observaciones deriven en resultados interesantes.

Eventualmente, apuntó William Lee, la información que aporten futuras generaciones de detectores de ondas gravitacionales reducirá la región a observar; sin embargo, “participar desde ahora permite que dentro de unos meses o años sigamos en la frontera del proyecto de búsqueda de fuentes de las ondas gravitacionales y sus contrapartes en luz”.

Con la información recabada de este evento y con más detecciones de esta clase de objetos se puede entender mejor lo que pasa al fusionarse objetos compactos como estrellas de neutrones y agujeros negros. Esto aporta conocimiento sobre la vida y la muerte de las estrellas, la estructura de la materia y de la historia de creación de los elementos químicos en el universo y de sus abundancias relativas. ¿Por qué hay más carbono, nitrógeno u oxígeno que plomo, oro o platino, por ejemplo? Son preguntas fundamentales y las observaciones de esta clase de sistemas nos ayudan a formular respuestas más precisas.

En el equipo de investigación también participan Margarita Pereyra Talamantes, catedrática Conacyt en el IA-Ensenada; el estudiante de doctorado del Posgrado en Astrofísica Kin López Mendoza; Fabio De Colle, investigador del Instituto de Ciencias Nucleares, y Enrique Moreno Méndez, profesor de la Facultad de Ciencias; además, el personal técnico y de apoyo que hace posible la operación y mantenimiento del OAN, juega un papel clave para que los telescopios robóticos estén en condiciones óptimas para dar seguimiento a las alertas.

El grupo de la UNAM mantiene en este proyecto una estrecha colaboración con personal de la Universidad de Maryland y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, así como con la Universidad Estatal de Arizona, Estados Unidos, por medio de los investigadores Alexander Kutyrev, Eleonora Troja, Nathaniel Butler y Simone Dichiara, quienes hacen aportaciones significativas para la operación y explotación científica de DDOTI.