evolución estelar binaria

En una densa nube de gas y polvo donde nacen estrellas masivas, dos estrellas jóvenes pasaron hace poco muy cerca una de la otra. Su danza dura apenas unos sesenta años, y los astrónomos la han visto por primera vez en detalle.

Un receptor de radio sintonizado a una estación de repente comienza a captar otra, porque alguien invisible está girando la perilla de sintonización.

Imagina dos peonzas lanzadas sobre una mesa. Si giran en el mismo sentido, su rotación conjunta es grande; si giran en direcciones opuestas, la rotación total puede ser nula, aunque cada peonza por separado gire rápido. En una pareja de estrellas de neutrones que se aproximan antes de fusionarse, el papel de esas peonzas lo desempeñan sus rotaciones propias, los espines.

El escultor modela montañas con campos magnéticos y calor, pero la piedra se resiste. Una estrella de neutrones —remanente ultradenso de una explosión de supernova— en un sistema binario transfiere materia desde su estrella compañera.

Una estrella de neutrones es el remanente de una estrella que explotó, comprimido tan fuertemente que una cucharadita de su materia pesaría como una montaña. Dentro de ese objeto, los protones y neutrones están empaquetados muy juntos, y bajo una presión enorme pueden aparecer hiperones —partículas que contienen un quark extraño.

Dos estrellas giran una alrededor de la otra como bailarines que se acercan y se alejan. Con el tiempo, una de ellas se hincha y sus capas externas fluyen hacia la vecina. La que recibe el material ajeno no se distingue en apariencia de una estrella solitaria, pero su superficie lo recuerda todo.

Las cefeidas son estrellas que pulsan con una regularidad asombrosa: su brillo cambia como el de un faro, y el período de oscilación está relacionado con la densidad media de la estrella. En sistemas binarios donde la cefeida es eclipsada por su compañera, los astrónomos pueden medir con precisión el radio y la masa de la estrella.

En las profundidades de las nubes moleculares se esconden amplificadores naturales: los máseres cósmicos. Funcionan como los láseres, pero en el rango de radio: las moléculas excitadas emiten al unísono ondas de una misma frecuencia, creando un haz brillante. El problema es que estas moléculas suelen tener varios caminos para liberar energía.

La colisión de galaxias se asemeja a una danza lenta en la que dos compañeros se van acercando gradualmente. En el centro de cada una se esconde un agujero negro supermasivo —un volante invisible con una masa de millones o miles de millones de soles.

Capa tras capa, artefacto tras artefacto — el arqueólogo reconstruye la historia de un antiguo asentamiento. Así también los astrofísicos, analizando 259 registros de LIGO–Virgo–KAGRA, vieron una clara estructura estratificada entre los agujeros agujero negro fusionándose.

A la pareja estelar J05+50 le toma casi dos meses completar una órbita alrededor de su centro común. Desde la Tierra se ve como un punto débil en la constelación de Hércules — a 4625 pársecs de nosotros. La fotometría de la estrella binaria registra solo un suave bamboleo de brillo, como el pulso de un corazón gigante.

Hace un cuarto de siglo, Michel Mayor y Didier Queloz descubrieron el primer Júpiter caliente y rompieron todos los cánones de formación planetaria. Un gigante gaseoso en una órbita de apenas días no podría haberse formado cerca de la estrella: allí hace demasiado calor y no hay material de construcción.

Dos esferas ultradensas, cada una del tamaño de una ciudad, giran en una danza. Su masa es menor que la solar, pero en su interior hay materia comprimida hasta límites inimaginables. Una esfera es una estrella de neutrones; la otra, una estrella extraña, compuesta enteramente de quarks (las partículas elementales que forman protones y neutrones).

En el corazón de casi todas las galaxias duerme un agujero negro supermasivo, el director invisible de la orquesta estelar. Cuando las galaxias chocan, sus monstruos centrales se acercan, girando en una danza gravitacional. A veces se une un tercer compañero al dúo, y entonces comienza un vals triple cuyo desenlace es impredecible.

Cuando miramos al espacio profundo, vemos el pasado. La ley de Edwin Hubble convierte el corrimiento al rojo en una máquina del tiempo: la luz de la galaxia UDS 12999 tardó 7.600 millones de años en llegar hasta nosotros — más de la mitad de la vida del Universo.

Dos agujeros negros pasan uno junto al otro como coches de carreras en carriles opuestos. En la relatividad general ordinaria permanecen "calvos": no surge ningún campo adicional a su alrededor. Pero si se añade un campo escalar a las ecuaciones (algo así como una niebla invisible que impregna el espacio), las reglas cambian.

Como un carrusel: es más fácil hacer girar uno ligero que uno pesado. Algo similar ocurre con las estrellas de neutrones, los restos superdensos de estrellas que han explotado. Los astrónomos examinaron unas cincuenta sistemas binarias donde una estrella de neutrones orbita alrededor de otra y notaron que cuanto más masiva es la estrella, más largo es su período de rotación.

Un agujero negro, como una rueca, hace girar a su alrededor una nube de partículas ligeras: los axiones. Estas partículas son las principales candidatas a ser la materia oscura. La nube se rige por las leyes de la mecánica cuántica, asemejándose a un átomo gigante: hay niveles y transiciones entre ellos.

Dos soles muertos giran en un baile eterno. Su órbita es un metrónomo perfecto que mide el tiempo con la precisión de un reloj atómico. Pero incluso las estrellas muertas pueden temblar.

Dos imanes chocan en una habitación oscura, se pegan formando un bulto y se oye un golpe sordo. Más o menos así se comportan los agujeros negros, solo que en lugar de imanes tienen carga eléctrica y en lugar del golpe, una ráfaga de ondas gravitacionales.

Cuando dos estrellas de neutrones giran una alrededor de la otra, sus cuerpos no permanecen como esferas rígidas. La gravedad de la compañera estira cada estrella, creando protuberancias de marea, de manera similar a como la Luna eleva el agua en los océanos de la Tierra.

En el centro de una galaxia lejana, un agujero negro supermasivo está rodeado por un disco plano y giratorio de gas y polvo: un embudo gigante con materia cósmica. En este disco puede encontrarse un objeto compacto pequeño, por ejemplo, otro agujero negro de masa estelar.

Cuando dos estrellas superdensas giran en un baile íntimo, el espacio a su alrededor tiembla. Ese temblor —las ondas gravitacionales— es captado por gigantescos detectores en la Tierra. Pero descifrar la señal no es fácil: hay que entender con qué nos enfrentamos, si con un par de agujeros negros o de estrellas de neutrones.

Las olas seleccionan los guijarros en una playa de arena. Los guijarros pequeños están apretados unos contra otros, casi iguales en tamaño. Un poco más lejos de la orilla, hay una dispersión de piedras más grandes y variadas. Y justo donde el oleaje es más fuerte, se acumulan los fragmentos más grandes y redondeados.

Cuando un piano cae a un abismo, pensamos en el abismo. En que el piano lleva funda, no. De manera parecida, durante décadas los astrofísicos han observado los acercamientos extremos de cuerpos pequeños a agujeros negros grandes. Les interesaba el propio agujero negro y lo que gira a su alrededor.

Los fuelles de herrero avivan el fuego expulsando aire bruscamente. En el espacio, ese papel lo desempeña la onda de choque de una supernova — concepto introducido por Fritz Zwicky: alcanza la gigantesca burbuja de partículas cargadas y campos magnéticos formada alrededor de una estrella…

Cuando dos estrellas de neutrones —comprimidas al tamaño de una ciudad— se acercan en una danza final, el espacio-tiempo a su alrededor cobra vida, emitiendo ondas gravitacionales.

Imagine un funambulista balanceándose sobre un abismo. Cada paso cambia la tensión de la cuerda, y el más mínimo desplazamiento del centro de gravedad puede ser fatal. Así se asemeja el baile de una estrella común солнцеподобной alrededor de un чёрной дыры de diez masas solares, si la órbita es muy alargada.

Los detectores captan el «rizado» de las ondas gravitacionales producido por la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones, como un eco de la cocina donde se preparó el plato cósmico. Los astrónomos intentan reconstruir la receta: cómo dos estrellas masivas se convirtieron en una pareja exótica y colisionaron.

Las parejas de agujeros negros antes de fusionarse bailan en tres estilos diferentes. El primero es un vals cuidadoso: los objetos giran en la misma dirección, como compañeros mirando hacia el mismo lado. Estas parejas nacen de estrellas binarias y a menudo tienen masas desiguales. El segundo es un disco caótico: las rotaciones están dispersas, las masas son casi iguales.

En 2017, los detectores captaron un temblor del espacio: ondas gravitacionales de la fusión de dos estrellas de neutrones. Los telescopios encontraron de inmediato un destello de luz: una explosión cósmica que los astrónomos llamaron kilonova. En ese caldero de fuego, según se descubrió, nacen los elementos más pesados de la tabla periódica: oro, platino, uranio.

Dos patinadores artísticos giran sobre el hielo. Uno es ligero y cauteloso, apenas rota. El otro es masivo y veloz, gira con todas sus fuerzas y además en direcciones distintas. Más o menos así es el panorama que han dibujado las ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros.

En el espacio son frecuentes las parejas de agujeros negros que se fusionan, donde uno es notablemente más masivo que el otro. Esa diferencia de peso no es solo un número, sino la clave de su historia común.

Dos bolas pesadas giran no en un círculo perfecto, sino en un óvalo muy achatado: a veces se acercan, a veces se alejan. Así se comportan aproximadamente los pares de agujeros negros con órbitas alargadas.

El faro parpadea estrictamente una vez por segundo. Si se mueve en círculo, sus destellos llegan unas veces un poco antes y otras un poco después, delatando a un compañero invisible. Así es como los astrónomos han desenmascarado al compañero oculto de la estrella IY Lyrae. IY Lyrae es una estrella variable pulsante en el disco grueso de la Galaxia.

Si golpeas una campana, zumba a una sola altura. Y si colocas una segunda lengüeta en su interior y ambas suenan sin tocarse, el sonido se vuelve más complejo. Algo así es una estrella de neutrones de un nuevo estudio. No es solo una esfera incandescente: en su interior pueden fluir dos líquidos que no se mezclan, por ejemplo, neutrones superfluidos y plasma ordinario.

Dos agujeros negros, girando uno alrededor del otro, se comportan como un bote que rema con estrellas. Cada estrella que pasa es expulsada, como una palada de remo, y transfiere impulso al par. Durante mucho tiempo se pensó que esto simplemente los acerca.

Cuando dos agujeros negros supermasivos giran uno alrededor del otro antes de fusionarse, sacuden el propio espacio, como una lancha que surca un lago dejando estelas a su paso. Estas ondas se llaman gravitacionales. Viajan a través del universo y atraviesan todo, incluso la Tierra.

La última cosecha de ondas gravitacionales ha traído un enigma. Los detectores LIGO, Virgo y KAGRA han captado decenas de señales de agujeros negros en fusión, y en la gráfica de sus masas se abre un hueco: apenas hay objetos más pesados que 45 soles, y los que existen giran sospechosamente rápido.

Una red de pesca está tendida en las profundidades del cosmos. Cuando una estrella masiva muere, deja tras de sí un agujero negro: una plomada en esa red. Normalmente, tales plomadas pesan desde unas pocas hasta decenas de soles.