UNA COLISIÓN DE ESTRELLAS DE NEUTRONES QUE TARDÓ 12.000 MILLONES DE AÑOS EN LLEGAR

En 2017, los detectores LIGO y Virgo captaron las ondas gravitacionales de dos estrellas de neutrones que giraban en espiral la una hacia la otra: GW170817. Después, los telescopios vieron la propia explosión, un estallido de rayos gamma y una kilonova luminosa, en la galaxia NGC 4993. Desde entonces se ha detectado una segunda fusión de estrellas de neutrones, GW190425, pero se localizó mal y no se encontró ninguna luz. GW170817 sigue siendo, por tanto, el único evento de ondas gravitacionales vinculado a una galaxia.

Esa galaxia es una pista. Ryan Foley, de la Universidad de California en Santa Cruz, la utilizó para preguntarse cuánto esperan estas parejas antes de fusionarse, y encontró una respuesta que no encaja con el panorama habitual.

El tiempo de espera

Los astrónomos lo llaman tiempo de retardo: el tiempo entre el nacimiento de las estrellas y la fusión. Una vez formadas las dos estrellas de neutrones, pierden lentamente energía orbital en forma de ondas gravitacionales. El tiempo que esto lleva crece con la cuarta potencia de su separación, de modo que las parejas que nacen cerca se fusionan deprisa y las que nacen lejos se fusionan tarde.

Para un amplio abanico de separaciones iniciales plausibles, esto da una regla sencilla: el número de fusiones por unidad de tiempo de retardo disminuye como 1 dividido por el retardo. Si se añade un retardo mínimo de unos 10 millones de años, se obtiene la distribución canónica. Su mensaje: la mayoría de las parejas se fusionan poco después de que nazcan sus estrellas, y pocas esperan miles de millones de años.

Datar NGC 4993

NGC 4993 es una galaxia «de tipo temprano», de la clase que los astrónomos denominan S0. No hay ningún cúmulo de estrellas ni ninguna región de formación estelar cerca del punto donde brilló la kilonova, así que lo más probable es que la pareja se formara mucho antes de la fusión, en otro lugar de la galaxia. Por eso Foley modelizó las estrellas de toda la galaxia, combinando mediciones en 14 colores, del ultravioleta al infrarrojo, con un espectro del instrumento MUSE del Very Large Telescope.

El ajuste divide la historia de la galaxia en 20 intervalos de tiempo y deja que cada uno forme estrellas libremente. El resultado es contundente. La edad media de sus estrellas es de 12.400 millones de años (entre 11.700 y 12.900 millones, con un 90 % de confianza). La formación estelar alcanzó su máximo hace entre 12.500 y 13.000 millones de años, con 54 masas solares de estrellas nuevas al año, y se ha mantenido por debajo de una masa solar al año durante los últimos 9.000 millones de años. Alrededor del 96 % de la masa de la galaxia ya estaba en su sitio hace 10.200 millones de años. Unas capas alrededor de la galaxia apuntan a una pequeña fusión hace unos 1.000 millones de años, pero el espectro no muestra ningún rastro de las estrellas jóvenes que podría haber producido.

Así que lo más probable es que GW170817 tuviera un retardo de unos 12.000 millones de años.

Un 1,8 % de probabilidades

Foley combinó después esta edad con la historia cósmica de la formación estelar, la tasa de fusiones medida por la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA y las dos fusiones detectadas.

Según la distribución canónica, por cada fusión observada hoy con un retardo de 10.000 millones de años, debería haber unas 2 con un retardo de 1.000 millones de años y 16 con un retardo de 100 millones de años (para el mismo intervalo de tiempos de retardo). La probabilidad de que una fusión detectada sea tan vieja como GW170817 es de solo el 1,8 %. La razón es simple: NGC 4993 formó la mitad de sus estrellas hace más de 12.600 millones de años, mientras que el universo en su conjunto solo había formado para entonces el 1,1 % de sus estrellas.

De media, los astrónomos necesitarían 55 detecciones más antes de esperar una como esta. Y, sin embargo, la primera fusión localizada resultó ser precisamente ese caso raro.

Lo que prefieren los datos

Cuando se deja libre el retardo mínimo, los datos favorecen uno muy largo. Una distribución en la que ninguna pareja se fusiona antes de 12.600 millones de años se prefiere a la canónica por un factor de 40 a 140, según cómo se incorpore la tasa de fusiones, y a las distribuciones deducidas de los estallidos cortos de rayos gamma y de las estrellas de neutrones dobles de la Vía Láctea, por un factor de 80 a 280. En uno de los tratamientos, el retardo mínimo supera los 7.500 millones de años con un 90 % de confianza.

Tres salidas

Para que el panorama canónico sobreviva, tienen que «faltar» fusiones de retardo corto. Foley enumera tres explicaciones.

• Las parejas podrían nacer mucho más separadas de lo que se supone. Un retardo mínimo de 10.000 millones de años significa que ninguna pareja de estrellas de neutrones de 1,5 masas solares empieza a menos de 0,021 unidades astronómicas. Foley lo considera improbable: chocaría con las estrellas de neutrones dobles conocidas y con las estrellas binarias masivas.
• Los detectores podrían haberse perdido muchas fusiones. Foley lo considera sumamente improbable.
• Otra forma de formar parejas, con retardos largos, podría rivalizar con la habitual o dominarla.

Foley se inclina por la tercera. La candidata más prometedora son los cúmulos estelares densos, donde las parejas pueden formarse mediante encuentros gravitatorios entre estrellas, con retardos cercanos a la edad del universo. De las aproximadamente 24 estrellas de neutrones dobles conocidas en la Vía Láctea, una confirmada y tres sin confirmar se encuentran en cúmulos globulares, un tipo de cúmulo estelar denso. Pero no se vio ningún cúmulo en el lugar de GW170817, y la teoría reciente predice demasiado pocas fusiones en cúmulos: la tasa tendría que ser mayor de lo esperado.

Ondas más allá de un solo evento

Si las fusiones esperan tanto, llegan demasiado tarde para enriquecer la joven Galaxia con los elementos del «proceso r» que forjan, como el europio. Y las búsquedas de la luz de nuevas fusiones que dan prioridad a las galaxias con formación estelar podrían no estar apuntando a las más prometedoras. Con un retardo mínimo de 10.000 millones de años, ninguna fusión de este tipo podría ocurrir antes de que el universo tuviera 10.000 millones de años, así que los futuros detectores verían muchas menos a grandes distancias.

Todo esto se basa en dos eventos, de los que solo uno está localizado. Foley espera que más detecciones afinen el panorama, y sospecha que la verdadera distribución es menos simple que una única ley de potencias con un retardo mínimo.