GW170817: cuando las ondas gravitacionales llegaron con un destello gamma

Las ondas gravitacionales son fluctuaciones del espacio-tiempo producidas por fenómenos cósmicos poderosos. En GW170817, los detectores terrestres LIGO, en Estados Unidos, y Virgo, en Italia, registraron una señal asociada a la fusión de dos estrellas de neutrones. Por su parte, el satélite Fermi y el observatorio espacial INTEGRAL registraron un breve estallido de rayos gamma, denominado GRB 170817A. Fue la primera asociación observada entre ondas gravitacionales y luz de alta energía procedentes de una misma fuente cósmica.

La detección impulsó observaciones de seguimiento con telescopios terrestres y espaciales. Alrededor de medio día después, observatorios ópticos encontraron una nueva fuente cerca del centro de la galaxia NGC 4993. La campaña posterior detectó señales en otras bandas, desde la ultravioleta, la luz visible y el infrarrojo hasta los rayos X y las ondas de radio. Así, el fenómeno pudo estudiarse mediante observaciones complementarias, no solo a partir de la señal gravitacional o del estallido gamma.

Una coincidencia entre señales diferentes

Un artículo del equipo de INTEGRAL, publicado el 16 de octubre de 2017 en The Astrophysical Journal Letters, informa de que el instrumento SPI-ACS detectó GRB 170817A unos dos segundos después del final del evento de ondas gravitacionales. El trabajo cifra en 4,6 la relación señal-ruido de la detección de INTEGRAL. También calcula una significación de 3,2 sigma para la asociación entre la señal de INTEGRAL y GW170817, y de 4,2 sigma para la asociación entre las detecciones de Fermi-GBM e INTEGRAL. Son valores referidos a comparaciones estadísticas distintas, no medidas intercambiables de una sola asociación.

La comparación de los tiempos de llegada de los rayos gamma a Fermi e INTEGRAL contribuyó a acotar la posición del estallido. Según el artículo, añadir la observación de INTEGRAL redujo por un factor de 1,8 el área final de localización de Fermi al nivel del 90 %. La señal gravitacional fue registrada por los dos detectores LIGO y también por Virgo, cuya respuesta fue menor. La Agencia Espacial Europea (ESA) describió la región del cielo indicada por las mediciones como un área de 28 grados cuadrados y situó la fuente a unos 130 millones de años luz.

Qué registró INTEGRAL y qué condicionó la medida

INTEGRAL, cuyo nombre completo es INTernational Gamma-ray Astrophysics Laboratory, es un observatorio espacial de rayos gamma de la ESA. El equipo estimó para el estallido una fluencia de (1,4 ± 0,4 ± 0,6) × 10⁻⁷ erg cm⁻² en el intervalo de 75 a 2000 keV. El primer término de incertidumbre es estadístico, expresado al nivel de confianza de 1 sigma; el segundo es sistemático y corresponde a la incertidumbre del modelo espectral y de la respuesta instrumental.

El artículo señala que la estimación depende de hipótesis sobre los modelos espectrales, dado que SPI-ACS no dispone de resolución energética. También especifica un límite instrumental: SPI-ACS no podía observar emisión por debajo de aproximadamente 100 keV debido a su umbral inferior. Esto importa porque GRB 170817A era un estallido relativamente «blando», con la mayor parte de su energía por debajo de ese umbral. El trabajo menciona, además, un pulso inicial breve y más duro, con emisión al menos hasta 200 keV. Por tanto, la medida de SPI-ACS debe leerse teniendo en cuenta tanto el intervalo que podía observar como las hipótesis empleadas para estimar la fluencia.

Tras la detección inicial, INTEGRAL continuó observando la región y realizó observaciones dirigidas de seguimiento que comenzaron 19,5 horas después del suceso y duraron 5,4 días. El artículo presenta un límite superior para señales electromagnéticas en un intervalo amplio, de 3 keV a 8 MeV, y restringe el flujo de un posible resplandor gamma blando con una probabilidad del 99 %. Para ese cálculo, los autores utilizaron una distribución de duraciones de estallidos basada en trabajos anteriores. El equipo también informa de que, durante las observaciones posteriores descritas, no detectó otra emisión persistente ni otros estallidos procedentes de la dirección de la contraparte óptica.

NGC 4993 y las observaciones posteriores

La fuente óptica hallada cerca del centro de NGC 4993 se encontraba a una distancia compatible con la indicada por LIGO y Virgo, según la ESA. La campaña de seguimiento observó después señales en el ultravioleta, la luz visible y el infrarrojo, y más tarde en rayos X y ondas de radio. Cada banda aportó una parte distinta del registro del fenómeno.

La ESA describe el fenómeno como una kilonova: material rico en neutrones expulsado durante la fusión interactúa con su entorno y, en ese proceso, se forman elementos pesados. Esta explicación se presenta en el contexto de las observaciones posteriores en diferentes bandas y de la señal gravitacional; no es una conclusión extraída únicamente de la medida gamma de INTEGRAL.

La agencia también indica que, entre los estallidos cortos cuya distancia se había medido, este era el más cercano y el más tenue. Como posible explicación de sus propiedades, propone que los chorros producidos en la colisión no apuntaban directamente hacia la Tierra. Es una interpretación de las observaciones, no una medición directa de la orientación de los chorros.

Por qué fue importante combinar los observatorios

Antes de GW170817, las detecciones de ondas gravitacionales confirmadas que recoge el relato de la ESA se habían atribuido a parejas de agujeros negros en fusión. La agencia explica que otras colisiones cósmicas, incluidas las que involucran estrellas de neutrones, podían producir tanto ondas gravitacionales como luz en distintas bandas del espectro electromagnético. GW170817 proporcionó la primera asociación observada de ondas gravitacionales y luz de alta energía procedentes de una misma fuente.

Los instrumentos aportaron observaciones diferentes: LIGO y Virgo registraron las ondas gravitacionales; Fermi detectó GRB 170817A y el SPI-ACS de INTEGRAL registró una señal gamma coincidente. La comparación de los tiempos de llegada a los satélites ayudó a mejorar la localización de Fermi. Después, los observatorios ópticos identificaron la fuente en NGC 4993 y la campaña siguió su evolución en otras bandas. La secuencia permite entender el valor de combinar mediciones, sin confundir lo que aportó cada instrumento.

Resultados y límites de la evidencia

La interpretación conjunta relaciona GW170817, GRB 170817A y la fuente óptica de NGC 4993 con la fusión de dos estrellas de neutrones. El artículo de INTEGRAL informa de su detección del estallido, de la mejora en la localización de Fermi al incorporar la observación del satélite y de los límites obtenidos durante el seguimiento. La página de la ESA proporciona el contexto de las observaciones posteriores y describe la interpretación como una kilonova.

Las cifras requieren distinguir qué mide cada una. La relación señal-ruido de 4,6 caracteriza la detección de INTEGRAL; las significaciones de 3,2 y 4,2 sigma corresponden a asociaciones estadísticas distintas. La fluencia estimada incluye incertidumbres estadísticas y sistemáticas, y la sensibilidad inferior de SPI-ACS no cubría emisiones por debajo de unos 100 keV. A su vez, el límite sobre un posible resplandor depende de las hipótesis de duración empleadas en el análisis. La orientación de los chorros es una explicación propuesta, no una observación directa.

GW170817 reunió señales gravitacionales y electromagnéticas vinculadas a un mismo suceso. INTEGRAL aportó un registro gamma adicional y ayudó a precisar la localización; las observaciones posteriores de NGC 4993 ampliaron el estudio del fenómeno. Las conclusiones sobre la señal deben leerse dentro de las limitaciones instrumentales y de las incertidumbres explícitas del análisis.