Una colisión cercana de una estrella de neutrones podría causar una calamidad en la Tierra

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Hace mucho tiempo, en una galaxia muy lejana, NGC 4993, para ser exactos, dos estrellas de neutrones colisionaron y crearon un espectáculo de luz espectacular.

Después de pasar miles de millones de años dando vueltas lentamente, en sus últimos momentos las dos estrellas degeneradas giraron una alrededor de la otra miles de veces antes de finalmente estrellarse en una fracción significativa de la velocidad de la luz, creando probablemente un agujero negro. La fusión fue tan violenta que sacudió el universo, emitiendo unos 200 millones de soles de energía como perturbaciones en el tejido del espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales. Esas ondas se propagaron a partir de la fusión como ondas en un estanque, eventualmente lavando sobre la Tierra, y en los detectores de onda gravitacional más importantes de nuestro planeta, el LIGO construido en EE. UU. Y los observatorios de Virgo construidos en Europa.

Sin embargo, las ondas gravitatorias no fueron los únicos productos de la fusión. El evento también emitió radiación electromagnética, es decir, luz, marcando la primera vez que los astrónomos lograron capturar ondas gravitacionales y luz desde una sola fuente. La primera luz de la fusión fue una breve y brillante ráfaga de rayos gamma, un probable llanto de nacimiento del agujero negro recogido por el Telescopio Espacial Fermi Gamma-Ray de la NASA. Horas más tarde, los astrónomos que utilizaron telescopios terrestres detectaron más luz proveniente de la fusión, una llamada "kilonova", producida a medida que los desechos de la fusión se expandían y enfriaban. Durante semanas, gran parte de la comunidad astronómica mundial observó la kilonova, que poco a poco desapareció de la vista.

Mientras los astrónomos estudiaban las secuelas de la fusión en varias longitudes de onda de luz, vieron signos de innumerables elementos pesados ​​formarse al instante. Los astrónomos habían predicho por mucho tiempo que la fusión de las estrellas de neutrones podría ser responsable de la formación de elementos como el oro y el titanio, metales ricos en neutrones que no se sabe que se forman en las estrellas. La mayoría de todo lo que vieron en la luz cambiante del kilonova de la fusión coincidía con esas predicciones, aunque definitivamente nadie vio directamente la fusión escupiendo nuggets de oro de ninguna manera.

Incluso visto a través de su separación de 130 millones de años luz de nosotros, el evento fue grande, brillante y glorioso. Basándonos en la rareza de las estrellas de neutrones, y menos en las que se fusionan, es poco probable que veamos una pantalla de este tipo significativamente más cerca de nosotros. Pero imaginemos si pudiéramos, si sucediera en la Vía Láctea o en una de sus varias galaxias satélite. O, cielo no lo permita, en nuestro vecindario estelar inmediato. ¿Qué veríamos? ¿Qué efectos tendría en nuestro mundo natal? ¿Saldría intacto el medio ambiente, la civilización, incluso la humanidad?

Acción instantánea

Aunque LIGO, por su diseño, puede "oír" las fusiones de objetos masivos como estrellas de neutrones y agujeros negros, los astrónomos todavía tuvieron la suerte de detectar este evento en particular. Según Gabriela González, miembro del equipo de LIGO y astrofísica en la Universidad Estatal de Louisiana, si la fusión hubiera estado tres o cuatro veces más lejos, no la habríamos escuchado en absoluto. Irónicamente, la exquisita sintonía de LIGO para detectar fusiones distantes de agujeros negros podría hacer que se pierda las grandes que ocurren alrededor de las estrellas vecinas más cercanas del sistema solar. Las ondas gravitacionales inmensas e intensas de un evento tan cercano "probablemente serían [greater] más que el rango dinámico de nuestro instrumento", dice González.

A pesar de ser lo suficientemente fuerte como para sacudir el universo, las ondas gravitacionales de incluso una fusión cercana de dos grandes agujeros negros todavía serían apenas perceptibles, porque la sacudida se manifiesta en escalas microscópicas. (Sin embargo, si el gas, el polvo o cualquier otra materia estuviera muy cerca de los agujeros negros que se fusionan, los astrónomos podrían ver la luz emitida por ese material que ingresa al sumergirse). "Lo sorprendente para mí es que podrías estar tan cerca de los agujeros negros colisionando, incluso tan cerca como fuera del sistema solar, y ni siquiera notarías el estiramiento del espacio-tiempo con tus ojos ", dice González. "Todavía necesitarías un instrumento para verlo o medirlo".

Por el contrario, una kilonova de una fusión de estrellas de neutrones en nuestra galaxia probablemente sería bastante notable. González dice que podría aparecer repentinamente como una estrella brillante en el cielo, y también sería claramente detectable por LIGO. En lugar de durar unos segundos, las ondas gravitatorias escuchadas por LIGO se extenderían durante minutos, incluso horas, a medida que las estrellas de neutrones se movían en espiral cada vez más cerca antes de su coalescencia final. Sería un poco como sintonizar una jam en vivo de Grateful Dead en lugar de una versión de estudio. (Y sí, digamos que la canción es "Estrella Oscura" para nuestros propósitos)

Incluso si LIGO sintonizó, sin embargo, hay maneras en que podríamos perder la mayor parte de la luz de una fusión de estrellas de neutrones cercana y su posterior kilonova. Kari Frank, un astrónomo de la Universidad de Northwestern, dice que un evento tan grande y luminoso podría quedar oscurecido por el polvo y otras estrellas, al menos en longitudes de onda visibles e infrarrojas. En otras palabras, LIGO y los telescopios que buscan longitudes de onda como la radio o los rayos X podrían vislumbrar una kilonova cercana que los astrónomos ópticos perderían. "Ha habido supernovas -al menos las que conocemos en nuestra galaxia en los últimos 100 años más o menos- para las cuales no vimos la explosión en absoluto, solo vimos lo que quedaba después", dice Frank. Y un kilonova, por todo el golpe que empaca, es solo una fracción de la luminosidad de una supernova típica.

Aún así, las respuestas de los astrónomos a cualquier cataclismo estelar dentro o alrededor de la Vía Láctea probablemente serían rápidas. Después de todo, está el ejemplo de la supernova 1987A a considerar.

El gran boom

Como su nombre indica, la supernova 1987A ocurrió en 1987, desarrollándose en una galaxia enana que orbita la Vía Láctea llamada Gran Nube de Magallanes. Una estrella ocho veces más grande que la masa del sol colapsó sobre sí misma y envió su envoltura exterior de gas hacia el espacio interestelar, formando una nebulosa de elementos pesados ​​y otros restos antes de colapsarse en una estrella de neutrones o en un agujero negro. Sigue siendo la única supernova cercana que los astrónomos han visto en los tiempos modernos.

Frank ha estudiado la campaña mundial subsiguiente para observar la supernova 1987A, centrándose en cómo los astrónomos organizaron y ejecutaron sus observaciones en un momento en que el internet era embrionario en el mejor de los casos. "Alguien ve algo y le envían avisos a todo el mundo", dice ella. "La gente que lo descubrió por primera vez tuvo que llamar por teléfono a quienes pudieron para decirles que esto estaba sucediendo, que vieron esta supernova en el cielo que estaba muy cerca", dice Frank. "Enviaron estas circulares-cartas y cosas a las personas-y luego todos los que podían irían a su telescopio y lo señalarían"

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Durante meses, los astrónomos de todo el mundo analizaron el evento, utilizando casi todos los telescopios disponibles. "Todos querían asegurarse de que tantos [telescopes] lo consideraran posible", dice Frank. Finalmente, las cosas se calmaron, pero varios investigadores, incluido Frank, siguen estudiando los restos de la supernova 30 años después. "Para algunas personas, fue un cambio de vida, o al menos un cambio de carrera", dice Frank. "Este fue el caso en astronomía ese año".

Al igual que LIGO, la campaña de observación de la supernova 1987A involucró a miles de colaboradores. Pero no todos compartieron la gloria de ser coautor de cualquiera de los muchos estudios resultantes publicados en la literatura científica. En consecuencia, no hay un recuento real de cuántas personas participaron. Es mucho más fácil contar los colaboradores que trabajan en la reciente fusión de estrellas de neutrones: unos 3.000 autores en 67 documentos, o un 15 por ciento estimado de todo el campo de la astrofísica.

La cuestión de cuántos astrofísicos recibirían crédito por otro evento como la supernova 1987A depende, en gran medida, de cuán cerca estaría el evento. Si la supernova 1987A hubiera ocurrido mucho, mucho más cerca de la Tierra, alrededor de una estrella cercana, por ejemplo, la incertidumbre clave podría ser no cuántos científicos observaron el evento, sino cuántos sobrevivieron.

Muerte desde arriba

Según un estudio de 2016, las supernovas que ocurren a tan solo 50 años luz de la Tierra podrían representar un peligro inminente para la biosfera de la Tierra, incluidos los humanos. El evento probablemente nos diera tanta radiación cósmica de alta energía que podría desencadenar una extinción masiva planetaria. Los investigadores han vinculado tentativamente los casos pasados ​​de tasas de extinción de picos y la pérdida de biodiversidad a eventos astrofísicos postulados, y en al menos un caso incluso se han encontrado pruebas definitivas de una supernova cercana como el culpable. Veinte millones de años atrás, una estrella a 325 años luz de la Tierra explotó, bañando al planeta en partículas de hierro radiactivo que eventualmente se depositaron en sedimentos de aguas profundas en el fondo del océano. Ese evento, especulan los investigadores, puede haber desencadenado glaciaciones y alterado el curso de la evolución y la historia humana.

Los detalles exactos del impacto de los cataclismos astrofísicos pasados ​​(y futuros) en la biosfera de la Tierra dependen no solo de su distancia, sino también de su orientación. Una supernova, por ejemplo, a veces puede expulsar su energía en todas las direcciones, lo que significa que no siempre es un fenómeno muy específico. Se espera que la fusión de los agujeros negros emita escasamente radiación, haciéndolos sorprendentemente benignos para cualquier biosfera cercana. Un kilonova, sin embargo, tiene física diferente en juego. Las estrellas de neutrones tienen una docena de kilómetros de radio en lugar de unos pocos millones como las estrellas típicas. Cuando estos objetos densos se fusionan, tienden a producir chorros que lanzan rayos gamma desde sus polos.

"[W] nos parece, y el efecto que tiene sobre nosotros, dependería mucho de si uno de los jets nos apuntaba directamente o no", dice Frank. En función de su distancia y orientación a la Tierra, los aviones de un kilonova recorrerían la delgada línea entre un espectáculo de luces espectacular y una catastrófica despojamiento de la atmósfera superior del planeta. Si un jet es apuntado directamente hacia nosotros, podrían haber cambios drásticos. Y probablemente no los veríamos venir. Un kilonova comienza con un estallido de rayos gamma, fotones increíblemente energéticos que, por definición, se mueven a la velocidad de la luz, lo más rápido que cualquier cosa puede viajar por el universo. Debido a que nada más puede moverse más rápido, esos fotones golpearían primero, y sin previo aviso.

"Lo que [the gamma rays] haría, probablemente más que cualquier otra cosa, es disolver la capa de ozono", dice Andrew Fruchter, un astrónomo del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial. A continuación, el cielo se volvería cegadoramente blanco a medida que la luz visible del kilonova encontrara nuestro planeta. Avanzar mucho más atrás de la luz sería material de movimiento más lento expulsado de la kilonova: partículas radiactivas de elementos pesados ​​que, aplicando un chorro de arena a la Tierra en número suficiente, podrían aún producir un golpe letal.

Eso es si la kilonova está cerca, sin embargo, dentro de los 50 años luz, más o menos. A una distancia más segura, los rayos gamma todavía chamuscarían la capa de ozono en el hemisferio opuesto, pero el otro lado estaría blindado por la masa del planeta. "La mayoría de la radiación ocurre muy rápidamente, por lo que la mitad de la Tierra estaría escondida", dice Fruchter. Todavía habría una luz momentáneamente cegadora. Durante unas semanas, una nueva estrella se encendería brillante en el cielo antes de desvanecerse gradualmente en la oscuridad.

Improbabilidades

No dejes que todo esto te mantenga despierto por la noche. Kilonovae son fenómenos cósmicos relativamente raros, que se estima ocurren una vez cada 10,000 años en una galaxia como la Vía Láctea. Eso se debe a que las estrellas de neutrones, que son producidas por supernovas, casi nunca se forman como pares. Por lo general, una estrella de neutrones recibirá una fuerte "patada" de su supernova formativa; a veces estas patadas son lo suficientemente fuertes como para expulsar una estrella de neutrones completamente de su galaxia y lanzarse a altas velocidades indefinidamente a través del cosmos. "Cuando nacen las estrellas de neutrones, a menudo son de alta velocidad. Para ellos, sobrevivir en un binario no es trivial", dice Fruchter. Y las posibilidades de que dos se encuentren y se fusionen después de formarse independientemente son, a falta de un término mejor, astronómicamente bajas.

Las estrellas binarias de neutrones que conocemos en nuestra galaxia están a millones o billones de años de la fusión. Cualquier fusión local de estrellas de neutrones tomaría LIGO por sorpresa, dado que los eventos son tan raros, y los astrónomos quizás ni siquiera vean la kilonova resultante. Pero si ocurriera, digamos, en una de las galaxias satélite de la Vía Láctea, sería una gran razón para correr hacia un telescopio y presenciar el destello y el desvanecimiento de una nueva y brillante "estrella". Los peligros serían casi inexistentes, pero no la recompensa: nuestra generación de astrónomos tendría su propia supernova 1987A para diseccionar. "Este es un tipo de evento que ocurre una vez en muchas vidas", dice Frank. Por lo tanto, dice, tendríamos que seguir algo así con todos los recursos astronómicos del mundo. "Tenemos que recordar pensar más allá de la explosión inicial", agrega. "Todavía pueden pasar cosas y tenemos que estar atentos a eso".

Por ahora, las atenciones de los astrónomos todavía están obsesionadas con la kilonova en NGC 4993. El movimiento orbital de la Tierra ha colocado el sol entre nosotros y la galaxia distante, sin embargo, ocultando el resplandor que se desvanece del kilonova. Cuando nuestra vista se aclare, en diciembre, muchos de los ojos telescópicos del mundo volverán a dirigirse al pequeño trozo de cielo que contiene la fusión. Mientras tanto, se escribirán y publicarán los periódicos, se acuñarán las carreras y se asegurarán las reputaciones. La ciencia marchará y esperará a que llegue la próxima visión posible de un kilonova, los susurros de una fusión de estrellas de neutrones o, si tenemos suerte, algo completamente nuevo.

Este artículo se publicó por primera vez en ScientificAmerican.com. © ScientificAmerican.com. Todos los derechos reservados. Siga a Scientific American en Twitter @SciAm y @SciamBlogs. Visite ScientificAmerican.com para obtener las últimas novedades en ciencia, salud y tecnología.

        

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