El 17 de agosto el Observatorio de ondas gravitacionales de interferometría láser (LIGO) detectó la quinta huella digital de una perturbación masiva en el espacio-tiempo desde que LIGO comenzó a operar en septiembre de 2015. A diferencia de los primeros cuatro conjuntos de ondas, que reflejaba colisiones entre dos agujeros negros, la forma de estas distorsiones del espacio-tiempo sugirió una colisión entre dos estrellas de neutrones.

Si bien las colisiones de agujeros negros no producen casi ninguna firma más que ondas gravitacionales, la colisión de estrellas de neutrones puede ser —y fue— observada en todo el espectro electromagnético. "Cuando las estrellas de neutrones chocan, todo el infierno se desata, "dijo Frans Pretorius, un profesor de física de Princeton. "Empiezan a producir una enorme cantidad de luz visible, y también rayos gamma, Rayos X, ondas de radio…."

Los investigadores de Princeton han estado estudiando las estrellas de neutrones y sus firmas astronómicas durante décadas.

Estrellas de neutrones y rayos gamma:Bohdan Paczynski y Jeremy Goodman

Las ondas gravitacionales fueron la primera evidencia de la fusión de estrellas de neutrones en llegar a la Tierra. seguido de un estallido de rayos gamma que llegó 1,7 segundos después.

La conexión entre las estrellas de neutrones y los estallidos de rayos gamma fue identificada por primera vez por los astrofísicos de Princeton en 1986, dijo James Stone, el Lyman Spitzer Jr., Catedrático de Astrofísica Teórica y catedrático del Departamento de Ciencias Astrofísicas. "Muchos de los descubrimientos anunciados [el 16 de octubre] confirman las predicciones básicas hechas hace 30 años aquí en Princeton".

Se refería a un conjunto de documentos consecutivos de Bohdan Paczynski, el fallecido profesor de Astrofísica Teórica Lyman Spitzer Jr., y Jeremy Goodman, un doctorado en 1983 graduado que estudió con Paczynski y ahora es profesor en el departamento. En sus artículos, Paczynski y Goodman argumentaron que la colisión de estrellas de neutrones podría ser la fuente de estallidos de rayos gamma, un misterio, Fuente de energía de corta duración identificada por primera vez por satélites a fines de la década de 1960.

"Ambos nos referimos a esa posibilidad. ¿Quién fue el primero en plantear esa idea? No lo sé, porque estábamos en constante conversación, Goodman dijo:"Sabíamos que [las estrellas de neutrones] debían chocar ocasionalmente, lo sabíamos gracias al trabajo [del físico de Princeton y premio Nobel] Joe Taylor".

Además, Paczynski se había dado cuenta de que la mayoría de las explosiones de rayos gamma provenían de distancias lo suficientemente lejanas como para que la expansión del universo estuviera afectando su distribución aparente.

"Bohdan Paczynski tenía toda la razón, "dijo Goodman. Sin embargo, sus ideas no fueron acogidas de inmediato por el campo. "Recuerdo haber ido a una conferencia en Taos, Nuevo Mexico. … Bohdan dio una breve charla sobre su idea de que las explosiones de rayos gamma provienen de distancias cosmológicas. Recuerdo a estos otros astrofísicos ... estaban respetuosamente callados cuando él habló, pero lo consideraba un poco loco ".

Él agregó, "Bohdan Paczynski fue un pensador muy audaz".

Las estrellas de neutrones chocan:Joseph Taylor, Russell Hulse y Joel Weisberg

La posibilidad de colisión de estrellas de neutrones que había provocado la discusión de Paczynski y Goodman apareció por primera vez en un artículo de 1981 de Joseph Taylor, ahora el profesor universitario distinguido James S. McDonnell de física, Emeritus. Su descubrimiento de 1974 de estrellas de neutrones binarios con su entonces estudiante graduado Russell Hulse, quien más tarde trabajó en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton, fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1993. Demostraron que las dos estrellas de neutrones que habían visto estaban separadas por aproximadamente medio millón de millas y orbitando entre sí cada 7,75 horas.

En 1981, poco después de llegar a Princeton, Taylor y el entonces profesor asistente Joel Weisberg anunciaron que con mediciones precisas tomadas durante varios años, habían confirmado que la distancia y el período están cambiando con el tiempo, con una desintegración orbital que coincide con la predicción de Albert Einstein de pérdida de energía debido a la emisión de ondas gravitacionales. La órbita se está desacelerando tan infinitesimalmente que las estrellas de neutrones del binario Hulse-Taylor tardarán aproximadamente 300 millones de años en colisionar y fusionarse.

"Una vez que se entendió el binario de la estrella de neutrones Hulse-Taylor, con experimentos de tiempo posteriores que muestran coherencia con la relatividad general, estaba claro que se producirían colisiones, "dijo Steven Gubser, profesor de física. "Así que mientras celebramos la primera detección de ondas gravitacionales de estrellas de neutrones en colisión, démosle crédito también a Joe Taylor y Russell Hulse por su descubrimiento original de los púlsares binarios, y para la demostración de que en realidad son estrellas de neutrones orbitando entre sí, esperando chocar ".

Cómo se fusionan las estrellas:Steven Gubser y Frans Pretorius

Imagínese una moneda de veinticinco centavos girando sobre una mesa. A medida que la fricción extrae energía del sistema, el cuarto comienza a tambalearse alrededor de su borde exterior, haciendo un sonido de "whop ... whop ... whop ... whop" que se acelera (whop-whop-whop-whop) y acelera (whopwhopwhopwhop) hasta que es solo un borrón de sonido que se eleva en tono en un "whop-whop-whop-whop" final como el cuarto se aplana sobre la mesa.

Esa es la demostración que proporcionaron Gubser y Pretorius al describir cómo colisionan los agujeros negros (o estrellas de neutrones), una maravilla astronómica que LIGO ha detectado cinco veces. En una charla reciente para su libro, "El librito de los agujeros negros, "publicado por Princeton University Press, Gubser y Pretorius usaron un disco de unas tres pulgadas de ancho en lugar de un cuarto, para que su audiencia pudiera ver y escuchar más fácilmente el lento pero constante aumento de velocidad del disco.

"Normalmente pensarías que perder energía corresponde a ralentizar, sin acelerar, pero viste con el disco que de hecho puede ir al revés, ", dijo Gubser después." A medida que el disco pierde energía debido a la fricción, su punto de contacto se mueve cada vez más rápido, y produce esa frecuencia ascendente característica ".

Ya sea que los objetos en colisión sean estrellas de neutrones o agujeros negros, o uno de cada uno, el movimiento giratorio y su sonido siguen el mismo patrón. A medida que la energía de las ondas gravitacionales se desangra, los dos objetos orbitarán entre sí cada vez más rápido, rumbo a su inevitable desaparición.

En el caso de la colisión que LIGO detectó el 17 de agosto, las dos estrellas, cada una del tamaño de Manhattan y con casi el doble de la masa del sol, finalmente giraban una alrededor de la otra cientos de veces por segundo, moviéndose a una fracción significativa de la velocidad de la luz antes de chocar.

"El experimento de sincronización de Taylor y Weisberg mostró los comienzos de este patrón, que surge de un lento en espiral, ", dijo Gubser." La frecuencia aumenta muy lentamente, y por eso fue una medida tan impresionante ".

Por el contrario, él dijo, "en la fase final de la espiral, la frecuencia aumenta rápidamente, y obtienes el tipo de forma de onda de 'chillido' o 'chirrido' que vio LIGO ".

Lo que crean las estrellas:Adam Burrows y David Radice

Cuando las estrellas chocan entre sí a una fracción apreciable de la velocidad de la luz, la colisión fusiona los átomos y crea los elementos que llenan las filas inferiores de la tabla periódica.

"Estos elementos:platino, oro, muchos otros menos valiosos que se encuentran en lo alto de la tabla periódica:tienen más neutrones que protones en sus núcleos, "Goodman dijo." No se puede llegar a esos núcleos de la misma manera que entendemos los elementos hasta el hierro que se produce, agregando efectivamente un neutrón a la vez. El problema es que hay que añadir muchos neutrones muy rápidamente ”. Los físicos conocen este proceso rápido como el proceso r.

Por mucho tiempo, Los científicos pensaban que los elementos del proceso r se creaban en supernovas, pero los números no cuadran Goodman dijo. "Pero las estrellas de neutrones son en su mayoría neutrones, y si rompes dos de ellos juntos, es razonable esperar que algunos de los neutrones salpiquen ".

"Los productos de esta fusión podrían ser oro, uranio, europio:algunos de los elementos más pesados ​​de la naturaleza, "dijo Adam Burrows, profesor de ciencias astrofísicas y director del Programa Planetas y Vida.

Burrows y David Radice, un investigador asociado, recientemente ganó fondos del Departamento de Energía de EE. UU. para investigar la fusión de estrellas de neutrones y supernovas, que Burrows describe colectivamente como "algunos de los fenómenos más explosivos, algunos de los más violentos, que ocurren de forma regular en el universo ".

Las observaciones espectroscópicas del Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral a raíz de la detección LIGO confirmaron que los metales pesados ​​como el platino, El plomo y el oro se crearon en la colisión de las dos estrellas de neutrones.

Los datos del VLT utilizados para identificar estos elementos, las longitudes de onda de luz visibles y casi visibles, se recopilaron en las horas y días posteriores a la detección de las ondas gravitacionales por parte de LIGO. Una vez que comenzó a correr la voz del descubrimiento de LIGO, la comunidad astronómica mundial apuntó sus telescopios y otros instrumentos en el parche de cielo de donde provenían las ondas gravitacionales, en lo que el ex investigador postdoctoral de Princeton Brian Metzger llamó "la campaña electromagnética más ambiciosa y cargada de emociones de la historia, probablemente, para cualquier transitorio [evento de corta duración] ".

Metzger, profesor asistente de física en la Universidad de Columbia, fue uno de los casi 4, 000 coautores del artículo que describe las observaciones de seguimiento de los rayos X, rayos gamma, ondas de luz visibles, ondas de radio y más. "Este fue un descubrimiento pancromático realmente sorprendente de ondas gravitacionales, básicamente en todas las longitudes de onda, " él dijo.

El impacto en la comunidad astronómica se compara con solo otro evento en su vida, dijo Goodman:la supernova de 1987. Las observaciones de esa explosión estelar habían proporcionado una resolución concreta a innumerables preguntas y teorías astronómicas. "La gente había estado construyendo este modelo de supernovas, [un] imponente edificio teórico, y los cimientos de la observación eran un poco inestables, Goodman dijo. Nadie podría pensar en un modelo mejor para estas cosas, pero luego verlo ... no sé cómo describirlo, es como recibir un telegrama de Dios, diciendo exactamente cuáles fueron estos eventos ".

La gran cantidad de datos recopilados de los "fuegos artificiales electromagnéticos" producidos por la fusión de estrellas de neutrones han tenido un efecto similar. Goodman dijo. "Tuvimos todo tipo de especulaciones ... pero ahora tenemos estas ondas gravitacionales. ¡Es exactamente como esperábamos para dos masas compactas!"

"Este es el futuro de la detección de ondas gravitacionales, que es una nueva astronomía que se ha abierto, ", dijo Burrows." Es una nueva ventana al universo que se ha anticipado durante décadas, y es una sorprendente realización de las ambiciones de miles de científicos, tecnólogos, que en realidad logró lo que muchas personas pensaban que no podían ".