Por Eduardo M. Gutiérrez
La astronomía es la ciencia que estudia el universo y los objetos que lo componen a partir de la detección y medición de las partículas y ondas que estos emiten. En los últimos años se sentaron las bases de lo que se conoce como astronomía multimensajero. La palabra “multimensajero” refiere a que ya no sólo se pretende estudiar el cosmos a través de la luz que llega proveniente de los astros, sino que también comienzan a tomar protagonismo otros tipos de partículas y ondas.
En las ciudades, las luces y la polución limitan enormemente lo que puede apreciarse del cielo nocturno a simple vista. No obstante, si uno hace el ejercicio de alejarse considerablemente de las zonas urbanas, y echa un vistazo al firmamento en alguna noche despejada y sin Luna, asistirá a un espectáculo hermoso. Podrá distinguir unos cuantos planetas, algunas nebulosas y varios miles de estrellas. La mayoría de estas se agrupan sobre una singular franja de tinte blancuzco, lo que los antiguos llamaron Vía Láctea. A nuestros ojos el cosmos luce infinito. Sin embargo, esta asombrosa imagen representa sólo una ínfima parte de toda la información que llega a nuestro planeta proveniente de los astros.
A comienzos del siglo XVII, el astrónomo y físico italiano Galileo Galilei se propuso romper con las limitaciones de nuestros sentidos y utilizó, por primera vez, un instrumento más potente que el ojo para observar los astros: el telescopio. Al probarse la potencialidad de este artefacto óptico se abrió una ventana sin fin para la astronomía, y la tecnología comenzó a jugar un rol cada vez más determinante. En los años que siguieron, el uso del telescopio óptico permitió expandir el conocimiento mucho más de lo que se podía imaginar. Se realizaron infinidad de descubrimientos asombrosos; por ejemplo, que lo que a simple vista lucía como una nebulosa en verdad se trataba de una galaxia lejana, o que el universo, antes estático y perfecto, resultaba estar en expansión.
A la par de los avances tecnológicos se producía en el mundo una verdadera revolución en el plano teórico de la física, algo fundamental para entender y explicar los procesos que ocurren en los astros y luego dan lugar a lo que observamos. Comenzando la segunda mitad del siglo XIX, el físico escocés James Clerk Maxwell enunció las leyes del electromagnetismo, y demostró que la luz no es otra cosa que una onda electromagnética: una perturbación de los campos eléctricos y magnéticos que se propaga por el espacio. Los distintos colores de la luz son un reflejo de la cantidad de energía que llevan estas ondas; cuanto más azul más energética. Además, más allá del rango visual entre los colores rojo y violeta, existen ondas con mayor o menor energía que no son perceptibles al ojo humano. Por ejemplo, las ondas de radio y los rayos infrarrojos son ondas electromagnéticas de menor energía que la luz visible, mientras que la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma son ondas de mayor energía.
Si esto es así, ¿por qué no esperar que los astros nos envíen también luz de todas estas otras energías? En efecto, lo hacen, aunque existe una limitación natural para detectarlas. La mayoría de estas son absorbidas por la atmósfera y no llegan a la superficie terrestre. Sólo la luz visible y ciertas ondas de radio lo hacen sin problemas. Para acceder a la información proveniente de los astros en, por ejemplo, rayos X hubo que esperar a la revolución espacial y al desarrollo de satélites especiales dedicados a esta tarea. En la actualidad, la astronomía de la luz visible es sólo una de las ramas de la astronomía observacional. Las ondas de radio se detectan con enormes antenas (como las que tenemos en el Instituto Argentino de Radioastronomía), para los rayos X se utilizan telescopios espaciales, y los rayos gamma son detectados tanto desde el espacio como desde la Tierra (mediante un método indirecto, ver Cherenkov). Cada rama de la astronomía observacional tiene sus técnicas específicas de detección. Lo importante a remarcar es que cada una de estas ondas nos aporta información distinta y complementaria sobre lo que sucede en el universo. Por ello, es deseable, y a veces inevitable, combinar observaciones de todas ellas para entender mejor los fenómenos del universo. Esto se conoce como “observaciones multifrecuencia”.
Más allá de la luz: otros mensajeros
En la primera mitad del siglo XX, la física vivió una nueva revolución con el nacimiento de dos teorías fundamentales: la teoría general de la relatividad (RG), que explica la gravedad, y la mecánica cuántica (y su ampliación posterior, la teoría cuántica de campos, TCC), que se encarga de los fenómenos a escala microscópica. Ambas teorías tuvieron un impacto capital para la astronomía. Con la TCC se desarrolló lo que hoy se conoce como modelo estándar de las partículas y sus interacciones. Según este modelo, en la naturaleza existen unos pocos tipos de partículas fundamentales: los quarks (que forman los protones y neutrones), los leptones (como el electrón y los neutrinos), y las partículas mediadoras de las interacciones fundamentales (y no nos olvidemos del famoso bosón de Higgs). La partícula mediadora de la interacción electromagnética es el fotón. De manera muy simplificada, podríamos decir que a escala microscópica las ondas electromagnéticas son fotones. La RG no se quedó atrás en sus aportes a la astronomía. Dio una explicación a la expansión del universo, y predijo la existencia de los agujeros negros y de las ondas gravitacionales: perturbaciones del espacio-tiempo que se propagan transportando energías enormes.
Ahora bien, considerando la existencia de más partículas e interacciones, podríamos ir más allá de las observaciones multifrecuencia y preguntarnos ¿por qué habríamos de detectar sólamente fotones?, ¿por qué no pensar en una astronomía de múltiples mensajeros, en la que la luz sea sólo una de estos? En los ambientes astrofísicos deberían existir toda variedad de partículas interactuando entre sí de formas complejas. Eventualmente, algunas de estas partículas escaparán y llegarán a la Tierra.
Rayos cósmicos
Entre 1911 y 1913, el físico austro-húngaro Victor Hess descubrió unas partículas ionizantes (lo cual significa que son muy energéticas) provenientes del espacio exterior: los rayos cósmicos. Se trata de protones, electrones y núcleos atómicos extremadamente energéticos, que nos alcanzan de todas las direcciones del cielo. Desde 1940 se ha podido identificar que algunas de estas partículas se generan en las recurrentes erupciones que produce el Sol. Lamentablemente, esto es una excepción y la gran mayoría de los rayos cósmicos que llegan a la Tierra no nos dan indicios de su origen: al tratarse de partículas con carga eléctrica, sienten el efecto de los campos magnéticos existentes por todo el universo y su dirección cambia caóticamente en su trayecto a la Tierra. En los últimos años se ha realizado un esfuerzo enorme por identificar el origen de los rayos cósmicos más energéticos del Universo (principalmente desde nuestro país, en el observatorio Pierre Auger), y se ha podido determinar que estos tienen un origen extragaláctico, es decir que provienen de otras galaxias.
Ondas gravitacionales
En Septiembre de 2015, el laboratorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) en los Estados Unidos realizó la primera detección directa de ondas gravitacionales. Estas se producen cuando masas muy grandes se mueven a enormes velocidades. La primera detección se trató de la fusión en espiral de dos agujeros negros. Aún más sorprendentemente, el 17 de Agosto de 2017 LIGO y su pariente europeo Virgo detectaron por primera vez las ondas gravitacionales producidas en la fusión de dos estrellas de neutrones. Estos objetos están formados por materia bariónica (a diferencia de los agujeros negros) y se esperaba que en este tipo de fusiones también se produjeran gran cantidad de ondas electromagnéticas. Casi dos segundos después de la llegada de las ondas gravitacionales, el telescopio espacial Fermi detectó una erupción de rayos gamma (GRB, por sus siglas en inglés), y once horas después hizo lo propio el observatorio de Las Campanas, en Chile, al captar luz óptica consistente con este evento. Detecciones satisfactorias subsiguientes se realizaron en muchas otras energías, en lo que significó el estudio multimensajero más importante del que tenemos registro. El análisis combinado de las ondas gravitacionales y la luz recibida permitió confirmar importantes predicciones teóricas; entre otras, el origen de las erupciones de rayos gamma en la fusión de dos estrellas de neutrones.
Animación de este evento:
Fuente del video: Chandra X-ray Observatory
Neutrinos
Uno de los tipos de partículas más extravagantes predichas por el modelo estándar son los neutrinos. Con masas extremadamente pequeñas y sin carga eléctrica, estas partículas sólo interactúan muy débilmente con otros leptones. Los neutrinos, se piensa, juegan un rol determinante en muchos eventos astrofísicos como las explosiones de supernova y las erupciones de rayos gamma. No obstante, debido a lo poco que interactúan con la materia, es extremadamente difícil detectarlos. Cada segundo miles de millones de neutrinos atraviesan la Tierra de lado a lado sin sufrir ningún tipo de interacción.
La primera identificación exitosa de neutrinos de origen astrofísico fue realizada en 1968 por el experimento Homestake, el cual detectó neutrinos provenientes del proceso de fusión nuclear que ocurre en el centro del Sol1. Casi 20 años después, en Febrero de 1987, una estrella ubicada en la Gran Nube de Magallanes, a unos 160 mil años luz de distancia, terminó su vida catastróficamente explotando como supernova. De manera increíble, aproximadamente dos horas antes de que la luz de esta explosión alcanzara nuestro planeta, varios telescopios de neutrinos detectaron un puñado de estos provenientes de la explosión: ¡unos 25 en total!
Más recientemente, en Septiembre de 2017, el detector de neutrinos IceCube, ubicado en la estación Amundsen-Scott en el Polo Sur, atrapó un neutrino (¡sí, sólo uno!) extremadamente energético de origen extragaláctico. Alertados por esta detección, los telescopios de rayos gamma Fermi y MAGIC pusieron sus ojos en la región del cielo de la cual provenía el neutrino, y lograron identificar un incremento brusco en la emisión del blazar TXS 0506+056. El análisis posterior demostró el origen conjunto de ambos mensajeros.
Animación de este evento:
Fuente del video: NASA Goddard Space Flight Center
Para terminar con este artículo, resulta apropiado resumir en unas pocas oraciones la perspectiva actual de la “astronomía multimensajero”:
En los sistemas astrofísicos se producen toda clase de partículas que interactúan, ganan y pierden energía, y producen nuevas partículas. Algunas de estas escapan, y luego de viajar enormes distancias pueden llegar a la Tierra; incluso pueden ser detectadas las perturbaciones que los astros producen en el propio espacio-tiempo. Los distintos mensajeros (luz, neutrinos, rayos cósmicos, ondas gravitacionales) nos aportan información distinta y complementaria acerca del sistema donde se produjeron. En particular, hay eventos muy energéticos en los que grandes cantidades de todas estas partículas son producidas simultáneamente. Detectando la mayor cantidad de partículas de todos los tipos, y combinando el análisis de todas ellas podremos entender cada vez más lo que sucede en los astros. Aunque se encuentra en sus albores, los esfuerzos están puestos para que el estudio multimensajero se convierta en el protagonista de la nueva era de la astronomía.
Sobre el autor
Eduardo es Licenciado en Astronomía por la UNLP. Docente en la FCAGLP y en la Facultad de Ing. UNLP. Becario doctoral del CONICET en el IAR, trabajando sobre procesos radiativos en la vecindad de agujeros negros acretantes.
Notas