El 14 de septiembre de 2015, la Colaboración Científica LIGO en EE.UU. y la Colaboración Virgo en Europa iniciaron una nueva era para la Astronomía con la primera observación directa de ondas gravitacionales, las perturbaciones del espacio-tiempo predichas por la teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, procedentes de la fusión de dos agujeros negros.

Ahora, los mismos  protagonistas, junto con otros 70 observatorios terrestres y espaciales, anuncian otro descubrimiento histórico: la primera observación simultánea de ondas gravitacionales procedentes de la espectacular colisión de dos estrellas de neutrones y de contrapartidas en todo el espectro electromagnético, un evento cósmico que marca el inicio de la astronomía de multi-mensajeros con ondas gravitacionales. Los resultados LIGO-Virgo se publican hoy en Physical Review Letters.

En este descubrimiento han participado el Grupo de Relatividad y Gravitación de la Universidad de las Illes Balears, único español participante en la Colaboración Científica LIGO, y el Grupo Virgo de la Universitat de València, único español miembro de la Colaboración Virgo. Además, hay importantes aportaciones de diversos grupos españoles, entre ellos el grupo del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) que lidera la participación española en los telescopios de neutrinos ANTARES/KM3NeT, entre otros.

Los resultados del descubrimiento se han hecho públicos hoy en una rueda de prensa celebrada en la sede del Ministerio de Economía, Industria y Competitividad, con la presencia de Juan María Vázquez, Secretario General de Ciencia e Innovación; Alicia Sintes, investigadora principal de la Colaboración Científica LIGO en la Universidad de les Illes Balears; José Antonio Font, investigador principal de la Colaboración Virgo en la Universidad de Valencia; y representantes de los grupos españoles involucrados en el estudio, entre ellos el director del IFIC, Juan José Hernández. En el acto se ha hecho seguimiento del anuncio mundial de LIGO-Virgo desde Washington DC., EE.UU.

Una señal estelar

Las estrellas de neutrones son las más pequeñas y densas conocidas, que se forman cuando estrellas más masivas explotan en forma de supernovas. A medida que la órbita de las dos estrellas de neutrones fue disminuyendo en forma de espiral, el sistema binario emitió ondas gravitacionales que fueron detectadas durante unos 100 segundos. Al colisionar, con una velocidad de aproximadamente la tercera parte de la velocidad de la luz, se emitió un destello de luz en forma de rayos gamma que fue observado en la Tierra dos segundos después de la detección de las propias ondas gravitacionales. En las semanas posteriores a la colisión, otras formas de luz o radiaciones electromagnéticas (incluyendo rayos X, ultravioleta, óptica, infrarroja y ondas de radio) fueron también detectadas.

La señal gravitacional, conocida como GW170817, fue detectada el 17 de agosto a las 14:41 hora peninsular por los dos detectores LIGO avanzado situados en Hanford, Washington, y Livingston, Luisiana (EE.UU.). Casi al mismo tiempo, el Gamma-ray Burst Monitor del Fermi Gamma-ray Space Telescope de la NASA detectó una explosión de rayos gamma. El software de análisis LIGO-Virgo consideró ambas señales de manera conjunta considerando improbable una coincidencia fortuita. La detección de la onda gravitacional por LIGO-Virgo (cerca de Pisa, Italia), junto con la detección de los rayos gamma de Fermi, permitió el lanzamiento del seguimiento por telescopios alrededor del mundo.

Los datos de LIGO indicaron que dos objetos astrofísicos situados a una distancia relativamente pequeña de la Tierra, 130 millones de años-luz, habían estado aproximándose en órbitas espirales. Los científicos estimaron que los dos objetos debían estar en un rango entre 1,1 y 1,6 veces la masa del Sol, el rango de las estrellas de neutrones. Una estrella de neutrones tiene unos 20 kilómetros de diámetro de un material tan denso que una cucharada de su material equivaldría a una masa de mil millones de toneladas. Un evento de estas características sucede menos de una vez en 80.000 años por coincidencia aleatoria, por lo que se identificó como una detección muy segura.

“Esta detección abre la ventana de una esperada astronomía de multi-mensajeros", sostiene David Reitze (Caltech), director ejecutivo del Laboratorio LIGO. "Es la primera vez que hemos observado un evento astrofísico catastrófico en forma ondas gravitacionales y ondas electromagnéticas. La astronomía de ondas gravitacionales ofrece nuevas oportunidades para entender las propiedades de las estrellas de neutrones de maneras que simplemente no son posibles únicamente con la astronomía electromagnética”.

“La naturaleza ha vuelto a ser muy generosa con nosotros al situar este evento excepcional a una distancia notablemente cercana a la Tierra, justo antes de que acabase el segundo periodo de observación de LIGO-Virgo avanzado y en el momento en que había tres detectores de la red en operación permitiendo localizar la fuente de forma precisa”, dice Alicia Sintes, del grupo de la UIB en LIGO. Este grupo contribuye principalmente al estudio y búsqueda de sistemas binarios de agujeros negros y de estrellas de neutrones en rotación, donde Sintes co-dirige el equipo de análisis de datos para la búsqueda de señales continuas en LIGO‐Virgo.

Para José Antonio Font, del grupo Virgo en la Universitat de València, “la histórica detección de la primera señal gravitacional de la colisión de dos estrellas de neutrones, junto con la correspondiente emisión electromagnética, marca el inicio de una nueva era que promete ofrecer respuestas a preguntas fundamentales en astrofísica relativista, cosmología, física nuclear, o la naturaleza de la gravitación. Es revolucionario". El grupo contribuye a la Colaboración Virgo en el desarrollo de algoritmos para el análisis de señales gravitatorias y estimación de parámetros de fuentes astrofísicas, así como en la generación de patrones de radiación gravitacional mediante técnicas de relatividad numérica.

Neutrinos, los otros mensajeros

Esta nueva señal de LIGO-Virgo también se ha buscado mediante otros mensajeros. Los rayos cósmicos de muy alta energía fueron descubiertos hace más de un siglo y aún hoy se desconoce qué 'aceleradores cósmicos' pueden producirlos. Los objetos compactos (estrellas de neutrones, micro-cuásares, etc.) podrían ser algunos de estos aceleradores, pero no se conocen bien los mecanismos que estarían actuando. La información combinada que pueden proporcionar las observaciones multi-mensajero es, por tanto, esencial.

En particular, la observación de neutrinos de muy alta energía revelaría la aceleración de protones y núcleos cargados. El que los detectores de ondas gravitacionales pueden ‘avisar’ de los cataclismos de objetos compactos a otros instrumentos, entre ellos a los telescopios de neutrinos, abre enormes posibilidades a la Física de Astropartículas. Esa búsqueda combinada ya se está produciendo: la astronomía de multi-mensajeros crece.

Juan José Hernández, director del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, Universitat de València-CSIC), indica que los telescopios de neutrinos entre los que se encuentra ANTARES, en el que trabajan científicos del IFIC, buscan neutrinos de muy alta energía asociados a esta fusión de estrellas de neutrones observada en ondas gravitacionales por LIGO-Virgo, “lo que demostraría que estos cataclismos son una de las aún misteriosas fuentes de rayos cósmicos”.

Más información:

"GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral", B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 119, 161101 – Published 16 October 2017

"Search for high-energy neutrinos from binary neutron star merger GW170817 with Antares, IceCube and the Pierre Auger Observatory"; The Antares, IceCube, Pierre Auger, LIGO and VIRGO collaborations; submitted to The Astrophysical Journal Letters

Información, imágenes y animaciones en la web de LIGO.

Resumen científico: GW170817: Observación de ondas gravitacionales procedentes de la espiral de una binaria de estrellas de neutrones

Resumen científico: El amanecer de la astrofísica de multi-mensajeros: observación de la fusión de un sistema binario de estrellas de neutrones