Examinando los Cielos en Busca de Explosiones Cósmicas: Primera Búsqueda de las Contrapartes Ópticas de las Ondas Gravitacionales

La observación conjunta de un evento astronómico tanto con la luz como con las ondas gravitacionales sería sin duda uno de los descubrimientos más interesantes de la astronomía moderna. Los dos tipos de ondas son muy diferentes. Las ondas gravitacionales revelan datos sobre el funcionamiento interno de un sistema, mientras que la luz proporciona información acerca de un sistema desde su superficie y su interacción con el entorno. Mediante la observación de una fuente usando ambos tipos de ondas, podemos comparar las señales y obtener un panorama más completo de los procesos astrofísicos ocurridos.

stellar merger model for gamma-ray burst

Modelo de fusión estelar para un estallido de rayos gamma. (Crédito: NASA/ESA/A. Feild (STScI))

Se espera que algunas de las fuentes más fuertes de las ondas gravitacionales produzcan suficiente luz como para ser visibles desde telescopios espaciales y telescopios localizados sobre la Tierra. Por ejemplo, las parejas de estrellas de neutrones emiten una gran cantidad de energía de ondas gravitacionales cuando se mueven en espiral una respecto a la otra (panel 1 en la imagen de la derecha). Cuando los dos objetos se fusionan, producen material altamente radiactivo (panel 2). Se cree que un estallido de rayos gamma de poca duración (panel 3), que acompaña a la fusión, proviene de estrechos chorros de radiación de alta energía, expulsados por la fusión de estas estrellas, durante aproximadamente una décima de segundo. Gran parte de los remanentes de la explosión forman un disco alrededor del objeto resultante de la fusión, que probablemente sea un agujero negro (panel 4).

Un estallido de rayos gamma sólo se puede ver directamente si uno de los chorros está dirigido hacia la Tierra. Sin embargo, existen otras huellas observables. En el caso de una kilonova, material radiactivo adicionalmente expulsado se ilumina a medida que decae, emitiendo luz visible e infrarroja por unos pocos días después de la fusión. Aunque de larga vida, la kilonova es 100 mil millones de veces más tenue que un estallido de rayos gamma. Además de las ondas de luz y gravitacionales, el proceso que produce el material rico en neutrones radiactivos también podría ser la fuente de oro y otros elementos pesados que se encuentran en la Tierra. La mayoría de los elementos más ligeros en nuestros cuerpos (como el carbono y el oxígeno) fueron creados probablemente en supernovas, pero la fuente de los elementos más pesados sigue siendo un misterio - uno que podría ser resuelto mediante la observación de la luz y las ondas gravitacionales juntas.

Durante dos períodos de observación ('invierno': diciembre 2009-enero 2010 y 'otoño': 09-octubre 2010) el software informático analizó rápidamente los datos de los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo. Posibles señales de ondas gravitacionales que se encontraron en los datos activaron alertas en los telescopios ópticos, incluyendo el Palomar Transient Factory, Pi of the Sky, QUEST, ROTSE III, SkyMapper, TAROT, Telescopio Zadko y el Telescopio Liverpool. Estos telescopios respondieron apuntando en la dirección esperada de la posible señal de ondas gravitacionales. Para cada candidato a evento de ondas gravitacionales se recolectaron imágenes desde la primera noche hasta un mes después de que el evento tuvo lugar. Esta técnica nos brindó la mejor oportunidad de capturar un posible evento en su máximo esplendor y luego verle desvanecerse poco a poco.

Cuatro candidatos a evento fueron identificados por los detectores de ondas gravitacionales y enviados a los observatorios TAROT y QUEST durante la observación de invierno. Cuatro más fueron identificados durante la observación de otoño y enviados a los 8 socios de observación, y fotografiados por múltiples telescopios. En las imágenes se buscaron objetos transitorios que parecían estrellas en una noche, pero que luego se desvanecían poco a poco hasta desaparecer. No se sabe cuánto tiempo toma este desvanecimiento, por lo que se consideró una amplia gama de posibles rangos de tiempo. Con todas las otras estrellas en el cielo nocturno, esto no sólo consiste en buscar una aguja en un pajar, sino una aguja de paja en un pajar. Desafortunadamente ningún transitorio óptico se identificó con una asociación convincente con cualquiera de los candidatos a eventos de ondas gravitacionales y que además fuera consistente con las fluctuaciones de ruido en los detectores LIGO y Virgo. A pesar de este resultado nulo, esta búsqueda fue la primera en su tipo y las lecciones aprendidas proporcionan un importante punto de referencia para futuras operaciones. Esto será de gran valor cuando Advanced LIGO y Advanced Virgo alcancen las sensibilidades para las que fueron diseñados, a finales de esta década , cuando se espera que las búsquedas astrofísicas desencadenadas por eventos de ondas gravitacionales ocurran regularmente.

Para saber más:

Glosario

  • Agujero (u hoyo) negro: Formado por el colapso de una vieja estrella masiva - más masiva que las estrellas que crean las estrellas de neutrones. Los agujeros negros son tan compactos que ni siquiera la luz puede escapar de su atracción gravitacional.
  • Estallidos de rayos gamma, también denominados GRB (del inglés gamma ray bursts): Brote extremadamente enérgico de luz de rayos gamma proveniente de una fuente astrofísica, en general, muy lejana. La causa exacta de estas explosiones se desconoce.
  • Estrellas de neutrones: Se forman cuando una vieja estrella masiva colapsa bajo su propia gravedad. Las estrellas de neutrones se componen casi enteramente de neutrones empaquetados muy juntos y son extremadamente densas. Una cucharadita de material de una estrella de neutrones en la Tierra pesaría tanto como toda la raza humana.
  • Kilonova: Una explosión del tipo supernova que se espera de la fusión de dos estrellas de neutrones o una estrella de neutrones y un agujero negro. El material calentado de manera radiactiva brilla, emitiendo luz, aunque puede ser en su mayoría infrarroja y bastante débil. Hasta la fecha, sólo se ha reportado un ejemplo de este tipo.
  • Supernova: La explosión violenta de las capas exteriores de una estrella masiva al final de su vida útil. Esto libera una luz muy brillante mientras el material de la explosión se expande y se puede observar desde la Tierra como una "nueva estrella" en el cielo que se desvanece durante semanas o meses.

Figuras de la publicación

Para obtener más información sobre el significado de estas imágenes, ver este enlace .

Mapa del cielo de ondas gravitacionales para el evento G19377 que se produjo el 16 de septiembre de 2010.

Mapa del cielo de ondas gravitacionales para el evento G19377 que se produjo el 16 de septiembre de 2010. Más adelante se reveló que este evento fue una inyección a ciegas. El mapa del cielo muestra la probabilidad de que cada lugar sea la ubicación de la verdadera fuente, basada puramente en los datos de los detectores de ondas gravitacionales. Las localizaciones de las áreas observadas por los telescopios de este evento de ondas gravitacionales están indicadas. Cada evento de ondas gravitacionales tiene un mapa del cielo similar a este.

Línea de tiempo para el evento G19377 donde se muestra cuándo cada telescopio observó las regiones solicitadas como se indica en la figura anterior.

Línea de tiempo para el evento G19377 donde se muestra cuándo cada telescopio observó las regiones solicitadas como se indica en la figura anterior. El tiempo cero es la hora del candidato a evento de ondas gravitacionales. Se muestran curvas de luz modelo para varias fuentes (asumiendo una distancia de 30 Mpc) para la comparación.

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