El 14 de septiembre de 2016, el mismo día en que se detectaron por primera vez las ondas gravitacionales que predijo Einstein, un fogonazo de alta energía que duró apenas un segundo intrigó a los científicos. El inesperado evento resultó ser un estallido de rayos gamma, un suceso capaz de iluminar el universo más que todas las estrellas juntas. Los investigadores consideran que este descubrimiento podría obligar a reformular las leyes de la astrofísica y, en distintos observatorios del mundo, escudriñan el cielo para encontrar nuevas emisiones. En nuestro país, en la Estación Astrofísica de Bosque Alegre y el nuevo Observatorio Astronómico del cerro Macón, en Salta, se hicieron eco de esta hazaña y abrieron la ventana a nuevas detecciones.
“Han ocurrido cambios fabulosos en la astrofísica durante el siglo XX”, afirma con entusiasmo el doctor Mario Díaz, investigador argentino y actual Director del Centro de Astronomía de Ondas Gravitacionales en Estados Unidos. Díaz integra el equipo de científicos argentinos y estadounidenses que recientemente ha puesto en marcha el Observatorio Austral Robótico de Transitorios Ópticos (TOROS, por su sigla en inglés) cuya misión será detectar las señales lumínicas que se generan junto con las ondas gravitacionales. El primer instrumento que instalaron es un telescopio robotizado que puede ser controlado remotamente a través de Internet. Es un aparato piloto con un espejo de 40 centímetros de diámetro, una cámara para tomar fotografías y un sistema de filtros. El lugar elegido para ubicar el telescopio es un cerro salteño, cuya altitud es de 4650 metros, debido a que la contaminación lumínica es mínima y el cielo está despejado un 93% de las noches del año.
“La teoría de Einstein interpreta la gravedad, no como una fuerza, sino como la deformación que se produce en una región del cosmos debido a la presencia de una masa”, explica Díaz, quien se desempeña como profesor de la Universidad de Texas del Valle de Río Grande. Si alguien colocara una bola de bowling sobre la superficie de una cama elástica, esta se curvaría hacia el suelo. En cambio, un objeto más liviano, por ejemplo una pelota de tenis, no la deformaría. Análogamente, en el universo existen objetos muy masivos como los agujeros negros y las estrellas de neutrones, capaces de modificar la curvatura del espacio. Cuando estos objetos chocan, generan vibraciones que se propagan en forma ondulatoria por todo el espacio tal como predice la teoría de Einstein.
Una sorpresa detrás de otra
Si bien estas deformaciones del espacio son muy débiles, pueden ser detectadas aun en regiones muy alejadas. El efecto de las ondas sobre la materia, comprime los objetos en una dirección y los estira en la dirección transversal. Aprovechando este efecto para detectarlas, los científicos diseñaron sensores en forma de L y miden las longitudes relativas de sus brazos por medio de la técnica de interferometría láser, observando los patrones de interferencia producidos al combinar dos fuentes de luz. En Estados Unidos ya instalaron dos instrumentos de estas características –uno en Hanford, Washington, y otro en Livingston, Louisiana– y los llamaron LIGO (acrónimo en inglés de Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser).
Díaz también participa de la colaboración LIGO junto a otros mil científicos. En febrero de este año, los voceros del proyecto anunciaron la detección por primera vez en la historia de una señal de estas peculiares ondas. Los astrónomos aseguran que fueron generadas en la fusión de dos agujeros negros distantes a 1300 millones de años luz de la Tierra. Con este hecho trascendental inauguraron una nueva era para la astrofísica, porque es posible testear modelos cosmológicos que hasta ahora solo tenían un desarrollo teórico. “Recién hemos conseguido verificar la existencia de agujeros negros y el hecho de que se fusionan. Obviamente, el campo de observación de estos fenómenos apenas ha comenzado, hay muchísimo por aprender”, sentencia Díaz.
Pero los científicos no solo fueron sorprendidos por la detección de estas ondas, sino también por la emisión de radiación electromagnética asociada a ellas. El evento se denomina estallido de rayos gamma, un intenso flash de alta energía que aparece de manera impredecible en puntos arbitrarios del cielo a una tasa de aproximadamente uno por día y dura, típicamente, algunos segundos. El registro de este tipo de rayos se realiza por medio de satélites, ya que no penetran la atmósfera. Un dato curioso es que se descubrieron recién en 1967 a través de los satélites militares norteamericanos de la serie Vela, diseñados para descubrir explosiones militares soviéticas clandestinas en el espacio.
¿Agujeros negros que emiten luz?
Existen dos tipos de estallidos o brotes de rayos gamma (GRB, del inglés Gamma Ray Burst): los cortos y los largos. Los GRB cortos duran en promedio menos de dos segundos y no suele detectarse otra emisión posterior al evento. Los GRB largos, de más de dos segundos, suelen tener asociadas señales lumínicas relativamente brillantes. “Estas características bien diferenciadas hicieron que, si bien todavía queda un número importante de interrogantes, la comunidad de astrónomos de altas energías coincida en que cada una de estas familias tienen orígenes muy diferentes”, asegura el doctor Ignacio Ranea Sandoval, becario posdoctoral de CONICET y docente de la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas de la Universidad Nacional de La Plata.
Ranea explica que los GRB cortos parecen ser el resultado de la fusión de dos estrellas de neutrones o de una estrella de neutrones y un agujero negro. En cambio, los GRB largos pueden ser resultado del colapso de estrellas de gran masa que colapsan sobre sí mismas en el final de sus vidas. El día que LIGO recibió la señal de ondas gravitacionales, un telescopio de la NASA observó 0,4 segundos después, una emisión de radiación que podría provenir de ese mismo fenómeno. Un equipo de astrónomos estadounidenses, liderado por la doctora Valerie Connaughton del grupo de Astrofísica de Rayos Gamma del Centro Nacional de Tecnología y Ciencias del Espacio, publicó un informe donde vinculan esa detección al choque de agujeros negros. El trabajo es controversial porque dicha explicación no está prevista en las teorías actuales.
El equipo de Connaughton analizó los datos obtenidos por el Telescopio Espacial Fermi, un satélite lanzado por Estados Unidos en 2008, diseñado especialmente para estudiar las fuentes emisoras de rayos gamma. Estas fuentes son los objetos más violentos y energéticos del universo, e incluyen estallidos de rayos gamma, púlsares y jets rápidos de materia emitidos por agujeros negros. Fermi está equipado con dos instrumentos: el Telescopio de Gran Área y el Monitor de rayos Gamma, que opera en el rango energético que va de los ocho mil (8 keV) a 300 mil millones electrón-voltios (300 GeV). Los detectores están diseñados de manera que una vez localizada la región donde se produjo la emisión, es posible enfocar el telescopio en esa dirección para realizar observaciones más detalladas.
Un acelerador de partículas natural
Ranea explica que la mirada estándar sobre la fusión de dos agujeros negros no permitiría la emisión de radiación electromagnética, ya que como toda la materia sería “tragada”, no habría átomos capaces de realizar dicha emisión. El investigador se anima a especular sobre el futuro de estas investigaciones: “si se logra confirmar la correlación entre la detección de FERMI y la de LIGO, creo que estaríamos frente a uno de estos casos en los que, probablemente, haya que replantearse algunos conceptos de la física de estos fenómenos”.
Por otro lado, el doctor Gustavo Romero, investigador superior del CONICET y del Instituto Argentino de Radioastronomía, es autor de un nuevo modelo sobre este tema. Romero desarrolló la teoría que describe la interacción de agujeros negros bajo determinadas condiciones en las que podrían generar ondas gravitacionales y emitir radiación al fusionarse. Sin embargo, advierte que “aún es prematuro concluir algo al respecto”.
De acuerdo con Romero los rayos gamma pueden ser usados para poner a prueba teorías fundamentales de la física, ya que recorren gran parte del universo sin ser absorbidos. “En estas explosiones –explica– se aceleran partículas hasta energías mucho mayores de las que se logran en la Tierra con el acelerador LHC”. Y anticipa que “si entendemos su física, podemos tener acceso a aceleradores naturales donde poner a prueba nuestras ideas sobre la física de partículas elementales”.
Sin lugar a dudas, una colaboración cercana entre los experimentos desarrollados para detectar ondas de gravedad y los satélites desarrollados para observar su contraparte electromagnética, redundará en una comprensión más acabada de estos fenómenos fascinantes. Los científicos argentinos ya tomaron posición en el área y, a través del proyecto TOROS, podrán contribuir a las detecciones que LIGO y otros sensores puedan realizar en el futuro.
Originalmente publicado en Exactamente, la revista de divulgación científica de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad de Buenos Aires.