Casos y Voces

Miembro y representante en España del Observatorio Pierre Auger, y Catedrático del Instituto Gallego de Física de Altas Energías del Departamento de Física de Partículas de la Facultad de Física de la Universidad de Santiago de Compostela, Enrique Zas nos compartió su experiencia en el proceso de observación de la fusión de dos estrellas de neutrones registrado el 17 de agosto recién pasado, la que sindica como una experiencia que cambió la vida de los científicos que en ella participaron.

Qué participación tuvo el Observatorio Pierre Auger en la investigación que condujo a la captación de luz y ondas gravitacionales de la explosión estelar revelada hace unos días? 
El día 17 de agosto de 2017, a las 14:40 hora central europea, marcó una nueva etapa para la Física. Los dos brazos -de 4 Km. cada uno- de los dos detectores de LIGO en Hanford y Livingston (EE.UU.) detectaban una minúscula y armoniosa contracción y expansión del Espacio, debido al paso de una onda gravitacional. Esta vez el "canto" del sistema binario duró casi dos minutos, haciéndose progresivamente más agudo hasta el momento de la colisión. La onda gravitatoria también pudo confirmarse en el detector europeo Virgo, en Pisa (Italia), que acaba de entrar en funcionamiento, permitiendo delimitar mejor la dirección en la que se produjo.

Lo encontraron en los datos tras haber recibido una circular de un detector de rayos gamma en el satélite FERMI que había localizado una explosión de rayos gamma procedente de una región del cielo amplia, sin poder precisar bien la dirección de procedencia. Se comprobó que la explosión ocurrió 1.7 segundos después del final de la onda gravitacional que se trata de dos estrellas de neutrones que giran una respecto a la otra acercándose progresivamente y aumentando su velocidad a medida que radiaban energía, hasta colisionar. El final de la onda gravitacional corresponde con la colisión que libera mucha energía en un volumen relativamente pequeño, ya que las estrellas de neutrones tienen una masa algo mayor que la del sol pero un radio de sólo unos 10 kilómetros. De forma casi inmediata se produjo la explosión de rayos gamma.

Se realizó una campaña extensiva de búsqueda en todo tipo de telescopios y observatorios, rayos X, ultravioleta, óptico, infrarrojo, radio ondas y de neutrinos. Todos estamos interconectados para poder buscar señales cuando se producen sucesos excepcionales como éste. Los telescopios ópticos permitieron localizar con precisión la galaxia en la que se produjo la explosión, ya que horas después detectaron una fuente óptica nueva en la galaxia NGC 4993, a unos 130 millones de años luz de distancia.

El Observatorio Pierre Auger y los detectores de neutrinos ANTARES y IceCube, que pertenecen a esta red de detectores, recibieron la alerta al poco de haberse detectado y realizaron una búsqueda entre los datos de neutrinos de altas energías. Ninguno de los tres observó neutrinos procedentes de esta dirección. Esto también es importante pues los modelos que tratan de explicar estos sucesos predicen la existencia de neutrinos de altas energías sobre todo en la dirección perpendicular al plano de giro de las estrellas en la que se emite un gigantesco chorro de partículas muy energéticas. No observarlos permite concluir que este chorro no apuntaba hacia la Tierra.

El Observatorio Pierre Auger busca los neutrinos seleccionando chubascos que llegan muy inclinados. Una de las formas más eficientes de detectarlos es buscando cascadas prácticamente horizontales que se producen cuando neutrinos interaccionan en la roca cerca de la superficie y sale una partícula cargada (un leptón tau) casi paralela a la superficie que se desintegra en la atmósfera produciendo un chubasco horizontal. Tiene que ser muy energético para que el chubasco sea suficientemente grande y poder detectarlo con el Observatorio y, para detectar neutrinos de esta forma, tienen que ser de un tipo especial, neutrinos tau. Solo estos neutrinos producen el leptón tau (hay tres tipos de neutrinos asociados al electrón, al muón y al tau). Nuestro detector difiere y complementa a los otros detectores de neutrinos en varios aspectos: en energía, porque sólo es sensible a neutrinos muy energéticos; en la sensibilidad, porque es muy eficiente para detectar neutrinos tau que proceden de direcciones de unos pocos grados por debajo del horizonte, ¡sí, atravesando cientos de kilómetros de Tierra!; respecto al "sabor" o al tipo de neutrino, porque permite distinguir los neutrinos tau, puesto que son los únicos que podemos detectar por debajo del horizonte, y, por último, en direccionalidad, pues podemos reconstruir la dirección de llegada con precisión en torno a uno o dos grados.La desventaja principal es que en cada instante nuestro detector está limitado a una direcciones concretas.

Tuvimos mucha suerte. La colisión de neutrones estaba justo en la mejor posición que podía estarlo para detectar neutrinos de alta energía, ¡dos grados por debajo del horizonte! Como no detectamos neutrinos, hemos puesto una cota, decimos que no pudo haber un flujo mayor que una cierta cantidad. Como estaba tan bien orientado, nuestro resultado es a altas energías más restrictivo que el detector de neutrinos mejor del mundo -el IceCube- y, por tanto, muy relevante en este rango de energías. El resultado pone de relieve la eficacia de nuestro detector cuando está bien orientado para detectar neutrinos. No hemos de olvidar que el Observatorio Auger no tiene como objetivo primordial detectar neutrinos, por tanto, esto es un valor añadido del Observatorio que no se puede pasar por alto.

¿Cómo se desarrolló esa investigación colaborativa?
Hace aproximadamente un año empezamos a establcer contactos con la colaboración LIGO para firmar un acuerdo de cooperación, previendo que podría ocurrir algo así. Esto lo hicieron muchos observatorios que podrían aporta información cuando se detectaran este tipo de eventos. El acuerdo se firmó este año antes del verano y empezamos a recibir comunicaciones de las alertas de detecciones a lo largo del verano. Hubo muchas alertas pero, sin duda, esta fue la más relevante. Cuando la recibimos empezamos a buscar en nuestros datos, encontrando que no había chubascos que pudieramos atribuir a neutrinos procendentes de la dirección de la colisión. Simultáneamente, otros observatorios hicieron lo mismo y muchos de ellos detectaron luz (espectro óptico, infrarrojo y ultravioleta), rayos X y ondas de radio, otros pusieron cotas. Lo importante es que se pusieron a observar este suceso desde casi el princpio, porque este proceso es muy complejo y una vez que se produce la colisión, se emite radiación que va cambiando de frecuencia a medida que pasan las horas y las semanas. Esta información es un salto de gigante en el conocimiento ya que nunca habíamos tenido la oportunidad de observar un proceso tan singular y tan complejo desde tantos puntos de vista. Al combinar todas las informaciones podemos concluir, de forma mucho más precisa, sobre el fenómeno.

Muchos artículos científicos salieron casi simultánemente, el 16 de octubre de este año. Nuestra participación dio lugar a dos artículos, uno que incluye a todos los detectores que observaron el suceso y que se recordará históricamente como el nacimiento de la Astronomía de multimensajeros, y otro más específico sobre la cota de neutrinos, que publicamos conjuntamente los tres detectores de neutrinos y la colaboración LIGO.

¿Cómo fue la experiencia de participar en este esfuerzo colectivo con un resultado tan potente?
Fue una experienecia realmente estimuladora que afectó las vidas personales de los científicos. Por ejemplo, al ser en agosto, fecha de las vacaciones de algunos de los que estábamos involucrados, y además uno de los dos estudiantes de doctorado que realizaron la búsqueda de neutrinos, estuvo en el hospital durante esa etapa y tuvo que trabajar desde allí, mientras estaba ingresado. Esto hay que tenerlo en cuenta, sin la dedicación abnegada de los implicados, este hito no hubiera sido posible.

¿Qué importancia tuvieron en este descubrimento el trabajo colaborativo y la existencia de las redes académicas avanzadas?
Claramente todo esto es ahora posible gracias a Internet. No podríamos imaginar nada de esto sin esta red. Los datos de nuestro observatorio se distribuyen por la red y creo que esto ocurre para todos los observatorios (hay mas de 70 implicados). Pero también Internet juega un papel fundamental en facilitar las alertas que recibimos por la red. Sin duda, Internet está ya tan integrado en la comunidad científica que no tenemos ningún plan B para el caso de que fallase. Si esto ocurriera tendríamos que hacer todo esto por teléfono, supongo, en fin, algo mucho más complicado de organizar.

¿Cuál es la trascendencia de este episodio en la ciencia?
La detección de las ondas gravitacionales por LIGO es excepcional, ya que el medir la frecuencia con la que orbitan las estrellas, permite deducir muchas cuestiones sobre el proceso. Con gran probabilidad se trata de dos estrellas de neutrones que giran una respecto a la otra, acercándose progresivamente hasta colisionar. Su densidad es del orden de cientos de millones de toneladas por centrímetro cúbico y, en la colisión, se libera en un tiempo muy breve una gran cantidad de energía. Después vinieron los "fuegos de artificio" de todos los "colores" posibles que duraron semanas y fueron observados por más de 70 observatorios. Se trata de un acontencimiento excepcional, nunca jamás registrado, y que ocurrió a "sólo" 130 millones de años luz, diez veces más cerca que las colisiones de agujeros negros registradas hasta ahora. El artículo de LIGO salió publicado en Physical Review Letters el 16 de octubre y fue anunciado en rueda de prensa.

Hubo una intensa campaña de búsqueda por múltiples telescopios que abarcan desde las ondas de radio, infrarrojos, ópticos,ultravioleta, rayos X y rayos gamma así como de tres telescopios de neutrinos -ANTARES, IceCube y el Observatorio Pierre Auger-, que se pusieron a observar de forma inmediata en esta dirección. Simultáneamente salieron o se enviaron sobre un centenar de artículos, muchos en revistas como Nature, Nature Astronomy, Science, Astrophyscal Journal Letters, Physica Review Letters, conteniendo la información detallada de cada una de estas observaciones. El número de publicaciones refleja el enorme impacto científico de este descubrimiento.

Todas estas observaciones combinadas son una fuente de información única en su género y sin precedentes que permite profundizar en estos fenómenos cataclísmicos de froma excepcional y, por tanto, suponen enormes pasos para la Ciencia. Por de pronto se ha confirmado que el origen de al menos parte de las explosiones cortas de rayos gamma se deben a la colisión de estrellas de neutrones, algo que hasta ahora era sólo una mera hipótesis. Esto aparece recogido en un artículo publicado el 16 de octubre en "Astrophysical Journal Letters", por la colaboración de todos estos observatorios entre los que figura el Observatorio Pierre Auger, uno de los tres detectores de neutrinos implicados. Se trata de un gigantesco esfuerzo conjunto de muchos experimentos, que involucra a la astronomía, la astrofísica, la física de partículas y el nuevo campo de las ondas gravitacionales dando lugar a un descubrimiento excepcional. Sin duda, es un hito que marca el comienzo de una nueva forma de observación que algunos ya empiezan a llamar "astronomía de multimensajeros".

Profundice:

• Crónica de una colaboración global: La fusión de dos estrellas de neutrones, un abrazo a 130 millones de años
• “La persecusión de una KiloNova”, por Luis Núñez: https://halley.uis.edu.co/clases/lnunez/
• Dra. Kathy Vivas, astrónoma:“Se está abriendo una nueva era en la Astronomía”
• Publicación de LIGO: https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817
• Publicación de Pierre Auger: https://www.auger.org/index.php/news/latest-news/the-pierre-auger-antares-and-icecube-observatories-team-up-for-a-search-of-neutrino-emission-from-the-binary-neutron-star-merger-gw170817
• Publicación de ESO: https://www.eso.org/public/chile/news/eso1733/