GW170817: la fusión de dos estrellas de neutrones

DIbujo20171016_GW_Versus_Matter_STILL__CREDIT__Karan_Jani_Georgia_Tech

Se confirma el rumor, la colaboración LIGO-Virgo ha observado la fusión de dos estrellas de neutrones. Sendos cuerpos con un diámetro de unos 20 kilómetros se han fusionado en un agujero negro (lo más probable, aunque no se puede asegurar aún) a una distancia de unos 40 megapársec (unos 130 millones de años luz) de la Tierra. Lo más relevante es que 1,7 segundos tras la detección el telescopio espacial Fermi observó en la misma región del cielo el brote de rayos gamma GRB 170817A; más aún, se ha localizado la fuente en la galaxia elíptica NGC 4993, en la constelación de Hidra. Se trata, por tanto, del nacimiento de la astronomía gravitacional multimensajero, todo un hito en la historia de la astronomía (We all did it!). Más aún, se confirma que las ondas gravitacionales se propagan a la velocidad de luz en el vacío (como predijo Enstein), con un error relativo menor de 3 × 10−16.

Se han fusionado una estrella de neutrones con entre 1,36 y 1,60 masas solares (M⊙) con otra estrellas de neutrones de entre 1,17 y 1,36 M⊙ para dar lugar a un agujero negro (repito, lo más probable) de unas 2,74 M⊙, emitiendo unas 0,025 M⊙ en energía gravitacional. Estos números asumen que la velocidad de rotación de ambas estrellas es baja (|χ| ≤ 0,05), pues si fuera alta (|χ| ≤ 0,89) las masas estarían entre 1,36 y 2,26 M⊙ y entre 0,86 y 1,36 M⊙. La fusión de estrellas de neutrones deja una señal mucho menos intensa que la fusión de agujeros negros, pero su duración es mucho más larga; la onda gravitacional GW170817 se ha observado durante unos 100 segundos, cubriendo todo el rango de frecuencias observable con los interferómentros de LIGO.

Pronto habrá múltiples artículos científicos con las observaciones detalladas en el espectro electromagnético (de Fermi, INTEGRAL, Hubble, VLT, etc., hasta un total de 70 observatorios) . Por ahora, nos conformamos con el artículo científico es LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, “GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral,” Physical Review Letters 119: 161101 (20 Oct 2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.119.161101; “GW170817 Press Release,” LIGO-Virgo, 16 Oct 2017. El artículo de DES que localiza la fuente es The DES and DECam GW-EM Collaborations, “The electromagnetic counterpart of the binary neutron star merger LIGO/Virgo GW170817. I. Discovery of the optical counterpart using the Dark Energy Camera,” Draft [PDF], arXiv: submit/2036066 [astro-ph.CO] 12 Oct 2017; y sobre la astronomía multimensajero de LIGO, Virgo y los Partner Astronomy Groups, “Multi-messenger observations of a binary neutron star merger,” Draft [PDF], 06 Oct 2017.

Recomiendo leer a Shane L. Larson, “Songs from the Stellar Graveyard (GW170817),” Write Science, 16 Oct 2017; Ángel López-Sánchez, “The first detection of an electromagnetic counterpart to a gravitational wave event,” AAO News, 17 Oct 2017; .

DIbujo20171016 gw170817 chirps ligo-hanford ligo-livingston virgo phys rev lett

Como muestran estos espectrogramas, la señal de Virgo es casi imposible de distinguir (tiene una relación señal ruido SNR de 2,0), muy inferior a la SNR de 8,0 exigida para una detección. Sin embargo, las señales en LIGO-Livingston y LIGO-Hanford tiene SNR de 26,4 y 18,8, muy por encima del umbral de 8. Gracias a estas señales se puede bucear en la señal de Virgo y descubrir lo que de otra manera sería invisible; al ser una señal tan débil tiene que estar localizada en uno de los cuatro puntos ciegos de Virgo (recuerda que las ondas gravitacionales son cuadripolares). Gracias a Virgo se puede localizar en el cielo la fuente de la señal con gran precisión.

DIbujo20171016_GW170817_other_GWs_ligo_virgo_nasa_milky_way

Una localización precisa de la fuente en el cielo es la mejor garantía para evitar falsos positivos en la astronomía multimensajero. El sistema de localización rápida para la alerta a los astrónomos colaboradores de LIGO la situó en una región de solo 31 grados cuadrados del cielo; un análisis más riguroso redujo la región a solo 28 grados cuadrados. Una vez activada la alerta muchos instrumentos en todo el espectro electromagnético apuntaron hacia dicha región del cielo, observando señales específicas.

DIbujo20171016 gw170817 Mitigation of the glitch in LIGO-Livingston data phys rev lett

Como curiosidad me gustaría destacar que durante la detección de la señal GW170817 en LIGO-Livingston apareció un ruido instrumental de corta duración (glitch), solo unos 5 milisegundos (cuya causa es desconocida). Para una señal de una fusión de agujeros negros hubiera sido un ruido catastrófico, pues hubiera impedido la detección con una buena SNR. Sin embargo, dado que la señal GW170817 tiene una gran duración su efecto en la SNR es muy limitado, e incluso se puede llegar a eliminar de la señal (usando un modelo apropiado para el glitch), como muestra esta figura. Aún así, para todos los análisis rigurosos se ha enventanado la señal (eliminado los 5 ms del glitch).

Este vídeo de youtube permite oír la señal de LIGO-Livingston, con el glitch eliminado usando un modelo teórico para evitar malentendidos por parte de los legos. Sin lugar a dudas oír esta señal que recorre todo el espectro alcanzable por LIGO es como oír música celestial para una astrofísico especializado en ondas gravitacionales.

Dibujo20170816 masses in the stellar graveyard black holes and neutron stars

En los próximos días se publicarán decenas de artículos científicos con sus análisis (por cierto, hay que estar atento a la revista Nature este miércoles). El análisis electromagnético de la fuente observada indica que se trata de una kilonova. Lo que confirma que éstas son resultado de la fusión de estrellas de neutrones.

Dibujo20170816 grb 170817a gw170817 fermi telescope nasa

Esta figura muestra la señal GRB 170817A observada por el Gamma-ray Burst Monitor (GBM) del telescopio espacial Fermi de la NASA, que orbita la Tierra a una altura entre 526 y 544 km. Esta señal corresponde a una kilonova, luego confirma de forma independiente que la fuente de GW170817 es la fusión de dos estrellas de neutrones.

Dibujo20171016_toros_gw170817_kilonova_frame

La localización de la fuente en una galaxia no es posible usando solo la señal gravitacional de LIGO-Virgo o la señal de rayos gamma de Fermi. Sin embargo, muchos telescopios han apuntado a la región del cielo en la constelación de Hidra donde se suponía que estaba la fuente. Solo 10,9 horas después de la detección de las señales GW170817 y GRB170817A el telescopio Swope en Chile observó un punto brillante en la parte exterior de la galaxia NGC 4993 que no se encontraba allí antes (la fuente de la imagen es M. Díaz de la Colaboración TOROS). Durante la semana siguiente la señal de esta kilonova ha ido perdiendo brillo, mientras ha sido observada por unos 70 instrumentos.

DIbujo20171016 AT2017gfo GW170817 aaoastro pair in-spiralling neutron stars aao gov au news-media

La fuente de la señal (el par de esstrellas de neutrones que se han fusionado) ha sido bautizado como AT2017gfo, como nos ha contado el cordobés Ángel López-Sánchez, como comunicador oficial del Observatorio Astronómico Australiano (AAO). Esta imagen ha sido obtenida gracias a la cámara de 570 megapíxeles DECam (Dark Energy Camera) que está montada en el Telescopio Blanco de 4 metros instalado en el Observaotrio Interamericano Cerro Tololo en Chile. La colaboración científica DES (Dark Energy Survey) ha logrado esta imagen tan detallada gracias al gran campo de visión de DECam (que casi cubre toda la región de incertidumbre de LIGO-Virgo). Esta imagen parece indicar que la fuente de la kilonova AT2017gfo podría ser una galaxia enana satélite de NGC 4993, ya que se encuentra muy lejos de su centro.

Dibujo20171016_GW170817_artists_impression_aao_gov_au

Esta imagen artística de la fusión de las dos estrellas de neutrones muestra la producción de sendos chorros transversales al plano de la colisión. Estos chorros son los que han producido la señal de la kilonova que acompaña a GW170817. Por desgracia, parece que no se ha observado ninguna señal usando neutrinos, quizás porque los chorros no apuntan hacia la Tierra en la dirección apropiada. Seguro que habrá suerte con futuras señales que también serán observadas con neutrinos.

DIbujo20171016 GW170817 multimessenger astronomy des et al

El descubrimiento de las señales GW170817, GRB170817A, SSS17a/AT 2017gfo y sus observaciones posteriores a diferentes longitudes de onda. Todo se inició con la observacion de LIGO-Hanford y LIGO-Livingston, seguida por la de FermiGBM e INTEGRAL/SPI-ACS. Luego las seis observaciones de SSS17a/AT 2017gfo y las cuatro anteriores de los telescopios SALT, ESO-NTT , SOAR 4-m y ESO-VLT-XShooter. En rayos X siguieron las observaciones de Chandra y JVLA. Sin lugar a dudas una ola de observaciones que nos ofrecerá un tsunami de resultados.

Habrá que dedicar un futuro artículo a los resultados de DES y a otros resultados que se publiquen en los próximos días, que no serán pocos. Por ahora, dejaré esta entrada aquí. Sin lugar a dudas todos estamos de enhorabuena, pues el futuro de la astronomía gravitacional multimensajero es muy prometedor.


39 Comentarios

Participa Suscríbete

El CidEl Cid

El retraso del brote de los rayos gamma con respecto a las ondas gravitacionales ¿Se explica por los modelos físicos de colisión entre las dos estrellas de neutrones?

Francisco R. Villatoro

El Cid, la luz, a diferencia de los neutrinos y las ondas gravitacionales, se propaga por un medio a menor velocidad que en el vacío. No sé si los modelos teóricos actuales permiten explicar un retraso de exactamente 1,6 segundos (pues la incertidumbre en las masas es grande); pero predicen un retraso de ese orden de magnitud.

FabioFabio

La emisión en gamma no es inmediata. Primero el jet debe propagarse a distancias del orden de 10^12-10^14 cm para emitir la radiación observada en gamma. El retrazo creo que es consistente con el tiempo que se tarda el jet a llegar a esa distancia (en el sistema de referencia del observador)

Alvaro VerdionAlvaro Verdion

¿Por que hay un desfase de 1.7 segundos entre LIGO y el observatorio Fermi? las ondas gravitacionales y las electromagneticas se propagan a la misma velocidad. ¿No?

espaidualespaidual

Ambas se propagan a la misma velocidad en el vacío. El medio interestelar, e incluso intergaláctico, no está vacío y se producen diversos procesos de interacción electromagnética que retrasan la luz.
Puede algún tipo de interacción retrasar las ondas gravitacionales? No se del tema. Pero por lo que comenta Francis, parece que la teoría de Einstein lo descarta.

JaviJavi

Francis: “Más aún, se confirma que las ondas gravitacionales se propagan a la velocidad de luz en el vacío (como predijo Enstein).”
Podemos entonces dejar de buscar gravitones masivos en el LHC ?
Gracias

Francisco R. Villatoro

No, claro que no, Javi. Sabemos que los (impostores de los) gravitones que son observables en el LHC (con masas en la escala de los TeV) no tienen nada que ver con las ondas gravitacionales y deben seguir siendo buscados como hasta ahora.

JaviJavi

No sé si entiendo del todo a que te refieres con “impostores de los gravitones”, te refieres a otras partículas compatibles con spin=2 pero masivas?
Por otro lado, tenía entendido que si se confirmaba la velocidad de la luz en las GW, esto implicaba necesariamente masa nula en los gravitones, o sólo es unidireccional: velocidad GW < c implica gravitones masivos?

Francisco R. Villatoro

Javi, en el LHC no es buscan gravitones, no tiene sentido buscar a la escala de energía TeV una partícula de la escala de energía de Planck (más de doce órdenes de magnitud mayor).

En el LHC se buscan partículas “tipo gravitón” (que se suelen llamar impostores del gravitón) que se propagan en dimensiones extra y que podrían tener masas en la escala TeV si hubiera varias dimensiones extra.

Andrés GuzmánAndrés Guzmán

¡Que extraordinario! En la página de LIGO leí que el evento se originó justo desde uno de los puntos ciegos de Virgo, de ahí la no detección.

AlbertAlbert

Si una de las 2 estrellas tenía una masa de entre 1.17 y 1.36 MS, por lo tanto menos que el Límite de Chandrasekhar que es 1.44 MS, ¿no sería ésta una enana blanca en vez de una estrella de neutrones?
Saludos.

Francisco R. Villatoro

Albert, la estimación gravitacional está basada en que la estrella rote poco y es poco probable que rote poco, luego es una estimación muy a la baja. Cuando se confronten los datos electromagnéticos con seguridad el límite inferior para su masa estará por encima de las 1,44 MS.

miembro de LIGOmiembro de LIGO

Buenas Albert,

es una buena pregunta, pero que tiene su respuesta. Una enana blanca es un objeto mucho menos compacto que una estrella de neutrones, por tanto el merger se hubiese producido mucho antes, a una frecuencia mucho más baja de la detectada. La señal que se ha observado en sendos observatorios LIGO corresponde a la coalescencia de dos objetos ultracompactos, compatible por tanto con una binaria de estrellas de neutrones pero no con un sistema que incluya una enana blanca.

Saludos.

AlbertAlbert

Gracias “miembro de LIGO”, pero sigo con la duda, ¿pueden existir estrellas de neutrones con masa inferior a 1.44 MS?
Gracias de nuevo y saludos.

miembro de LIGOmiembro de LIGO

El limite de 1.44 MS está deducido para estrellas sin rotación. En principio, el rango de masas para estrellas de neutrones va desde 1.1 masas solares hasta 2 y algo (no soy especialista en astrofísica, mi trabajo se centra más en señales de binarias de agujeros negros) pero en la propia wikipedia inglesa dan este rango.

AlbertAlbert

Gracias Francis, gracias miembro de LIGO, queda aclarado.
Saludos.

miembro de LIGOmiembro de LIGO

Por aclarar un poco más mi respuesta: la frecuencia de la onda gravitacional es proporcional a la frecuencia orbital de la binaria, y la frecuencia orbital depende de la separación entre (el centro de masas de) ambas estrellas. El radio de una enana blanca típica es comparable al radio terreste (miles de kilometros), mientras que el radio típico de una estrella de neutrones es de unos 14 kilómetros. Si uno de los dos objetos hubiese sido una enana blanca, el merger (la fusión) hubiera tenido lugar cuando los centros de masas estaban separados por miles de kilómetros, y por tanto la frecuencia de la onda gravitacional en el pico hubiese sido mucho menor (así como mucho menor su amplitud).

Por tanto, analizando la señal, sólo es compatible con una binaria de estrellas de neutrones.

Saludos.

AlbertAlbert

He mirado un poco más a fondo el tema:
– Una cosa es la máxima masa posible de una enana blanca, que se demuestra que es el límite de Chandrasekhar de 1.44 masas solares(MS)
– Y otra cosa es la mínima masa posible de una estrella de neutrones.
Toda la vida había pensado que era lo mismo, pero no lo es: la masa de la estrella de neutrones (E.N.) depende de la composición y evolución inicial que la originó y puede ser menor de 1.44 MS.
De hecho, existen medidas de gran precisión de masas de binarias de estrellas de neutrones, como por ejemplo J.G. Martinez et al, “Pulsar J0453+1559: A Double Neutron Star System with a Large Mass Asymmetry” en la que una de las estrellas tiene una masa claramente menor de 1.44 MS, en este caso la menor de las dos E.N. tiene una masa de 1.174 +/- 0.004 MS
De hecho he visto que la masa mínima de una estrella de neutrones es desconocida,:
“The mínimum stable neutron star mass is about 0.1 MS, although a more realistic minimum stems from a neutron star’s origin in a supernova: lepton-rich proto-neutron stars are unbound if their masses are less than about 1 MS”, leído aquí: https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0405262.pdf
Saludos.

planck

¡ IMPRESIONANTE ! Hoy es un día histórico para la ciencia. Hoy nace una nueva forma de explorar el Universo, de observar nuevos fenómenos nunca antes observados. Hoy hemos descubierto una auténtica mina de oro (literalmente, ya que la explosión de la kilonova produjo ingentes cantidades de oro y titanio). ¡ Si Einstein estuviese vivo para ver esto ! Todos los miembros de la colaboración LIGO-VIRGO y todos los que nos sentimos fascinados por el estudio de la naturaleza tenemos que sentirnos orgullosos. Thorne y sus colaboradores han hecho un sueño realidad ¿Quien se atrevió a soñar con poder medir los movimientos del propio espacio-tiempo? Podemos incluso seguir soñando con futuros logros: mapas detallados del cielo, detección del fondo primordial (estocástico) de ondas gravitatorias (lo que nos permitirá “ver” mas allá de la epoca del CMB), datos sobre agujeros negros, ¿gravedad cuántica o dimensiones ocultas?, ondas gravitatorias de cuerdas cósmicas… Bueno vayamos paso a paso :-)

Marina GandarillasMarina Gandarillas

Si las ondas gravitacionales producen o son perturbaciones del espacio-tiempo, podría la materia oscura emitir ondas gravitacionales, o que rango es necesario????? Gracias.

Francisco R. Villatoro

Marina, la producción de ondas gravitacionales requiere cuerpos compactos asimétricos (o sistemas binarios de cuerpos compactos) que se muevan muy rápido; la materia oscura no puede formar cuerpos compactos (interacciona demasiado poco), luego no puede producir ondas gravitacionales que sean detectables.

notengoniideanotengoniidea

Va a ser difícil encontrar la señal en neutrinos ¿no?

Lo digo porque son los más difíciles de detectar por su propia naturaleza y además son los que menos tiempo tenemos para “apuntar” intrumentos hacia la zona.

¿Qué tipo de evento sería necesario para maximizar las posibilidades de detectarlo también en neutrinos?

Supongo que la mayor parte de los neutrinos se emitirán justo al final de la fusión , aunque supongo que no se emiten con una direccionalidad determinada .

Francisco R. Villatoro

Notengoniidea, todo lo contrario, será muy fácil; en esta fusión se ha estado a punto de observar neutrinos (es posible que se haya observado alguno, pero fuera de la ventana de tiempo que garantiza una coincidencia); en las próximas ocasiones habrá detecciones con seguridad. ¿Qué ha pasado en esta ocasión? Que el alineamiento de los chorros tras la fusión no ha sido el más propicio; pero por pura estadística en las próximas ocasiones lo será y los veremos.

Rafa Castillo

Enhorabuena Francis por esta entrada. Una duda, ¿se sabe cuál es el límite de detección de LIGO? Los primeros eventos detectaron ondas con energías en órdenes de masa solar y en este caso la energía detectada en la fusión es de “sólo” 0,025 M⊙ . Siendo aún mucha energía me preguntó cuál es límite de energía de detección inferior.
Un saludo,
Rafa

Francisco R. Villatoro

Rafa, lo importante no es la energía (o potencia) en la fuente de las ondas sino su amplitud (strain); la amplitud depende de la distancia a la fuente, GW150914 tenía una amplitud de h ~ 10^-21 pero estaba a 1300 millones de años luz, mientras que GW170817 tiene una amplitud de h ~ 10^-22 pero está a 130 millones de años luz (a dicha distancia los LIGO podrían alcanzar h ~ 10^-23).

Rolando ManzanillaRolando Manzanilla

¿Se sabe que tipo reacciones pueden ocurrir en una estrella de neutrones que generen energía que permita su detección? o bien son oscuras y se detectan por métodos indirectos.

Francisco R. Villatoro

Rolando, quizás imaginas reacciones nucleares similares a la fusión en las estrellas ordinarias; dichas reacciones no ocurren en las estrellas de neutrones, luego son oscuras. Sin embargo, son objetos calientes (calor residual en su formación que alcanza 0,6 millones de kelvin), luego su superficie radia. Aún así, se observan gracias a que rotan a gran velocidad y tienen intensos campos magnéticos que producen chorros de materia (si quieres llamarle así, se trata de una detección indirecta).

Rolando ManzanillaRolando Manzanilla

Gracias Francis, Supongo que la materia eyectada por los chorros proviene de los alrededores de la estrella y que los campos magnéticos deben tener origen cuántico, ya que clásicamente no se podrían explicar aún con rotación debido a que la estrella es eléctricamente neutra.

PacoPaco

Se ha hablado antes de los neutrinos, como estos tienen algo de masa y viajan “casi” a la velocidad de la luz ¿es posible que no hayan llegado todavía pues en una distancia tan larga el retraso se acumula?

Un saludo

Juan CarlosJuan Carlos

Dos dudas que planteo.
Se ha dicho que en energía gravitacional se ha emitido el equivalente a 0,025 masas solares.
Pero, ¿Cuánta en el espectro electromagnético, cuanta en neutrinos y cuanta en chorros de materia? ¿Cuál es la proporción entre estas energías?
Y segunda duda:
Siempre se ha dicho que los elementos pesados se formaron en explosiones de supernova, pues en el big bang no se pudieron crear. Pero estoy leyendo por hay artículos que afirman que es en estas explosiones donde se crean los elementos pesados.
¿Cual es la explicación correcta al origen de los elementos pesados (mas allá del hierro) ?

Francisco R. Villatoro

Juan Carlos, la energía en ondas gravitacionales, unas 0,025 masas solares, son unos 5 x 10^52 erg, mientras que el resto de la energía radiada (EM y neutrinos) en mucho menos de 10^50 erg (el número depende de la estimación, pero te indico la más optimista por arriba), luego la proporción es mucho menos del 1% (el número exacto no se conoce, pero no es relevante).

En cuanto a la nucleosíntesis de elementos pesados hay dos mecanismos, el lento (s-process) en estrellas y el rápido (r-process) en novas, kilonovas, supernovas e hipernovas. El lento produce una cantidad despreciable con el rápido. No sabemos cuál es la fuente dominante del rápido en el universo visible, y tampoco en la Vía Láctea, ni tampoco si coinciden. A día de hoy se considera que en supernovas e hipernovas se estima que se produce vía el proceso rápido entre el 20% y el 50% de todos los elementos pesados del universo visible (hasta los lantánidos); en kilonovas se estima que el proceso rápido produce el resto, entre el 50% y el 80% de todos los elementos pesados. Pero hay mucha incertidumbre pues ignoramos muchos detalles. Por ello en noticias en prensa estos días habrás leído números muy diversos (varían mucho de una fuente a otra).

“¿Cual es la explicación correcta?” En ciencia nunca tenemos respuestas correctas, solo hay buenas preguntas. La respuesta estará más clara en un futuro, por ahora tenemos más incógnitas que certezas.

PacoPaco

Francis, perdona que insista pero mi pregunta era sobre el viaje:
Si los neutrinos tienen masa ,su velocidad debe ser un poquito menor que la luz ¿como llegan “al mismo tiempo” que los fotones o ondas gravitacionales que van a la velocidad de la luz?

Francisco R. Villatoro

Paco, la masa de los neutrinos es tan pequeña y la energía a la que se producen en la kilonova es tan grande que a una distancia de 130 millones de años luz se mueven a la velocidad de la luz en el vacío (al menos no podemos determinar con observaciones en la Tierra la diferencia). Haz el cálculo, es trivial.

Melecio AlvarezMelecio Alvarez

Francis. Ya era tiempo que se detectara las ondas gravitacionales asumo que este hecho va ha permitir que se evalúes el valor de 2.73 K del Fondo Cósmico de Microondas.

mariomario

Hola, conoce alguien una estimación algo más exacta de la radiación EM producida? Me gustariá poner en perpesctiva la magnitud de semejante cataclismo, haciendo un cálculo para comparlo con cómo lo habríamos percibido si hubiera sido en nuestra vecindad.

Responde a Andrés Guzmán

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

Cancelar