Or, platí i estels de neutrons

Or, platí i estels de neutrons

Les ones gravitacionals continuen revolucionant el mon de la física i brindant titulars de primer nivell. Fa només dos anys de la primera detecció directa d’ones gravitacionals (GW150914, 14 de setembre de 2015), produïdes en la coalescència (merger) de dos forats negres, per part de la col·laboració LIGO. L’anunci oficial d’aquesta detecció, l’11 de febrer de 2016, va suposar un abans i un després en la història de la física, brindant una nova eina d’observació de l’univers, complementària a l’habitual finestra electromagnètica (i a d’altres, com ara els neutrins). Fins aquella data, l’existència d’ones gravitacionals només s’havia pogut inferir de manera indirecta, mitjançant mesures de precisió de la variació del període orbital de en sistemes estel·lars dobles, com ara el púlsars binari PSR B1913+16. La celebrada detecció de GW150914  fou seguida per la de 3 sistemes estel·lars més, tots ells formats per forats negres (la darrera, anunciada el passat 27 de setembre, va suposar la primera detecció simultània per part dels observatoris LIGO i Virgo).

Sense temps per amortir els ecos d’aquestes descobertes, revitalitzats per la concessió del Nobel de Física 2017 a Riner Weiss, Barry C. Barish i Kip S. Thorne (el darrer, guardonat el passat mes de maig amb un doctorat honoris causa per la UPC) per “decisives contribucions al desenvolupament del detector LIGO i a la detecció d’ones gravitacionals”, un nou objecte, GW170817, destinat a ocupar un lloc destacat en els anals de l’astrofísica, i de la ciència en general, acaba de ser presentat en societat. GW170817 és un objecte singular. Constitueix la primera detecció de la coalescència de dos estels de neutrons. I la primera en ser detectada mitjançant ones gravitatòries i radiació electromagnètica en múltiples bandes, inaugurant l’anomenada astronomia multi-missatger. 

El 17 d’agost de 2017, ones gravitacionals procedents d’un sistema estel·lar doble, situat a 130 milions d’anys llum, eren detectades pels observatoris LIGO i Virgo. 1.7 segons després, una erupció de raigs gamma –un gamma-ray burst de curta durada– era localitzada pel telescopi espacial FERMI (i més tard, per INTEGRAL), a prop de la zona d’emissió de les ones gravitacionals. Aquestes deteccions van permetre acotar la posició i distància a la font emissora amb relativa precisió i escometre la seva possible detecció òptica. Així, 10 hores i 52 minuts després, s’identificava la contrapartida òptica de l’esdeveniment des de l’hemisferi sud, a un punt de la galàxia NGC4993, a la constel·lació Hidra femella. L’observació en òptic fou seguida per diverses deteccions en altres bandes (infraroig, 11 hr 36 min; ultraviolat, 15 hr; ones ràdio, 16 dies). En total, uns 70 observatoris han observat el fenomen en diferents bandes de l’espectre electromagnètic, d’ones ràdio a raigs gamma. La revista “The Astrophysical Journal” , per exemple, acaba de publicar un volum monogràfic dedicat a GW170817 (els resultats principals es poden consultar a  Abbott et al., ApJ 848, L12).

Què aporta aquesta descoberta en termes científics? En primer lloc, la primera detecció d’una coalescència d’estels de neutrons, en forma de kilonova (explosió unes mil vegades més energètica que una nova clàssica), i la possible confirmació d’aquest escenari com a responsable dels gamma-ray bursts de curta durada. La observació simultània d’ones gravitacionals i radiació electromagnètica han permès també verificar que les primeres es desplacen a la velocitat de la llum. Alhora, proporcionen una nova eina per a aprofundir en la estructura i propietats dels estels de neutrons, així com per a l’estudi del ritme d’expansió de l’univers (Abbot et al., Nature, en premsa).  Finalment, però no menys rellevant, estudis fotomètrics de les corbes de llum (evolució de l’energia emesa en funció del temps)  en l’infraroig i l’ultraviolat, combinats amb la corresponent anàlisi espectral, han permès inferir la presència de lantànids (elements químics compresos entre el lantani i l’iterbi) en el material expulsat durant la kilonova, particularment en una capa d’unes 0.04 masses solares, amb una concentració de lantànids de l’ordre de l’1% en massa (Chornock et al., ApJ 848, L19; Tanvir et al., ApJ 848, L27; Pian et al., Nature, en premsa). Aquests resultats suposen la primera evidència experimental de l’anomenat procés-r (de l’anglès, rapid neutron captures) en la coalescència de dos estels de neutrons, confirmant un dels possibles escenaris proposats per al seu origen. De fet, la quantitat d’elements r inferida en GW170817, juntament amb el ritme de coalescències d’estels de neutrons predit per la teoria, suggereixen que aquests fenòmens astrofísics podrien ser les principals factories còsmiques de la síntesis d’elements r, aportant llum a una de les 11 qüestions fonamentals de la física, segons la relació publicada pel National Research Council's board on physics and astronomy (Estats Units, 2000): com es van formar els elements químics, del ferro a l’urani. Potser, finalment, hem trobat els forns nuclears còsmics on es forgen l’or i el platí.

Jordi José
Grup d’Astronomia i Astrofísica,
Departament de Física, UPC