La luz y la gravedad viajan a la misma velocidad, pero no llegan juntas.

Fuente Big Think (bigthink.com/starts-with-a-bang/light-gravitational-waves-arrive)

En 2017, una kilonova envió luz y ondas gravitacionales a través del Universo. Aquí en la Tierra, hubo un retraso de 1,7 segundos en la llegada de la señal. ¿Por qué?

• Uno de los eventos más fascinantes, pero también más raros, de todo el Universo es la espiral y fusión de dos estrellas de neutrones, que a veces da lugar a una kilonova.
• En 2017, ocurrió un evento de este tipo, y las señales fueron detectadas en la Tierra tanto por observatorios sensibles a la luz, como el satélite Fermi de la NASA, como por los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo.
• Aunque este evento generó tanto luz como ondas gravitacionales, y ambas viajan a la misma velocidad, las ondas gravitacionales dejaron de llegar 1,7 segundos antes de que se observara la primera luz. La ciencia investiga el motivo.

Existe una regla fundamental en la relatividad que, hasta donde sabemos, todos los objetos deben obedecer. Si no tienes masa en reposo al viajar por el vacío del espacio, estás obligado a viajar exactamente a la velocidad de la luz. Esto es exactamente cierto para todas las partículas sin masa, como los fotones y los gluones; aproximadamente cierto para las partículas cuya masa es minúscula en comparación con su energía cinética, como los neutrinos; y también debería ser exactamente cierto para las ondulaciones sin masa en el espacio-tiempo creadas por efectos puramente gravitacionales: las ondas gravitacionales. Independientemente de si la gravedad misma es inherentemente cuántica, la velocidad de la gravedad debe ser exactamente igual a la velocidad de la luz. Al menos, esto es una necesidad si asumimos que nuestras leyes actuales de la física son correctas.

Sin embargo, cuando observamos la primera fusión de estrellas de neutrones, tanto en ondas gravitacionales como en luz, proveniente de un evento ocurrido a unos 130 millones de años luz de distancia, las ondas gravitacionales llegaron primero por un margen considerable y medible: casi dos segundos. ¿Cuál es la explicación? Aunque la señal se originó a una distancia enorme, esa distancia no debería importar; si las señales se generaron al mismo tiempo, viajan a la misma velocidad y siguen la misma trayectoria, entonces también deberían haber llegado al mismo tiempo.

Originalmente, esto era un enigma con varias teorías que competían por explicarlo. Sin embargo, ahora hemos recopilado suficientes datos sobre estos eventos y el resto del Universo como para que una explicación destaque entre las demás. Esta es la historia de por qué creemos que la llegada de la luz se retrasó con respecto a la señal de onda gravitacional medida, incluso si ambas señales viajaron exactamente a la misma velocidad.

El 17 de agosto de 2017, la señal de un evento ocurrido a 130 millones de años luz de distancia finalmente llegó a la Tierra. Desde algún lugar dentro de la lejana galaxia elíptica (o lenticular) NGC 4993, dos estrellas de neutrones se encontraban en una danza gravitacional orbitando entre sí a velocidades que alcanzaban una fracción significativa de la velocidad de la luz. Al orbitar, distorsionaban el tejido del espacio debido tanto a su masa como a su movimiento con respecto a la curvatura del espacio por el que viajaban.

Cuando las masas se aceleran a través del espacio curvo, emiten cantidades ínfimas de radiación invisible para todos los telescopios ópticos: radiación gravitacional, no electromagnética.

Estas ondas gravitacionales se comportan como ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo, transportando energía fuera del sistema y provocando que sus órbitas mutuas se desintegren. Con el paso del tiempo, las dos estrellas de neutrones comenzaron a espiralizar, y las ondas gravitacionales transportaron energía orbital, lo que provocó que estos dos objetos se acercaran cada vez más. En un momento crítico, estos dos restos estelares giraron en espiral tan cerca uno del otro que llegaron a tocarse físicamente, y lo que siguió fue uno de los descubrimientos científicos más espectaculares de todos los tiempos.

En el preciso instante en que estas dos estrellas colisionaron, la señal de ondas gravitacionales cesó abruptamente. Todo lo que registraron los detectores LIGO y Virgo correspondió a la fase de espiral hasta ese momento, seguida de un silencio total de ondas gravitacionales. Según nuestros mejores modelos teóricos, se trataba de dos estrellas de neutrones en espiral que se fusionaron, lo que probablemente dio como resultado un fenómeno extraordinario: la formación de un agujero negro.

Pero entonces sucedió. 1,7 segundos después, tras el cese de la señal de ondas gravitacionales, llegó la primera señal electromagnética (luz): rayos gamma, que se emitieron en una enorme ráfaga. Gracias a la combinación de datos de ondas gravitacionales y electromagnéticos, pudimos precisar la ubicación de este evento con una precisión sin precedentes: la galaxia anfitriona específica donde tuvo lugar, NGC 4993.

Durante las semanas siguientes, comenzó a llegar luz en otras longitudes de onda, mientras cerca de 100 observatorios profesionales monitoreaban el espectacular resplandor posterior a esta fusión de estrellas de neutrones.

Por un lado, esto es extraordinario. Un evento tuvo lugar a unos 130 millones de años luz de distancia: tan lejos que la luz tardó 130 millones de años en viajar desde la galaxia donde ocurrió hasta nuestros ojos. Cuando tuvo lugar la fusión, el planeta Tierra era un lugar completamente distinto. Las aves con plumas llevaban existiendo solo 20 millones de años; los mamíferos placentarios, 10 millones. Las primeras plantas con flores apenas comenzaban a aparecer, y los dinosaurios más grandes aún no habían surgido: algo que no ocurriría hasta 30 millones de años en el futuro de la Tierra.

Durante todo ese tiempo, desde entonces hasta el presente, tanto la luz como las ondas gravitacionales de este evento viajaron a través del Universo, a la única velocidad posible —la velocidad de la luz y la velocidad de la gravedad, respectivamente— hasta llegar a la Tierra tras un viaje de 130 millones de años. Primero llegaron las ondas gravitacionales de la fase de espiral, moviendo los espejos de nuestros detectores de ondas gravitacionales una cantidad ínfima: menos de una diezmilésima parte del tamaño de un protón. Y entonces, apenas 1,7 segundos después de que cesara la señal de la onda gravitacional, llegó también la primera luz del evento.

Inmediatamente, esto nos proporcionó la medición física más impresionante de la velocidad de la gravedad hasta la fecha: era igual a la velocidad de la luz con una precisión superior a una parte en un cuatrillón (10¹⁵), ya que se necesitan alrededor de cuatro cuatrillones de segundos para completar 130 millones de años, y ambas llegaron con menos de dos segundos de diferencia. Anteriormente, contábamos con excelentes razones teóricas para saber que la velocidad de la gravedad debía ser igual a la velocidad de la luz, pero solo teníamos restricciones indirectas que indicaban que ambas eran equivalentes con una precisión de aproximadamente el 0,2 %. La mejora de nuestras restricciones en más de doce órdenes de magnitud, con una sola observación, representa el salto más significativo a partir de una única medición hasta la fecha.

¿Significa esto que la velocidad de la gravedad y la velocidad de la luz no son exactamente iguales? ¿Que quizás la gravedad se mueve ligeramente más rápido que c, la velocidad de la luz en el vacío, o que la luz misma se mueve un poco más lento que c, como si tuviera una masa en reposo diminuta pero distinta de cero?

Eso sería una revelación extraordinaria, pero muy improbable. Si eso fuera cierto, la luz de diferentes energías (y longitudes de onda) viajaría a diferentes velocidades, y el nivel en el que eso tendría que ser cierto es demasiado grande para ser consistente con las observaciones.

En términos más sencillos, si la luz tuviera una masa en reposo distinta de cero, y esa masa fuera lo suficientemente grande como para explicar por qué las ondas gravitacionales llegan 1,7 segundos antes que la luz tras recorrer 130 millones de años luz a través del Universo, observaríamos ondas de radio viajando a una velocidad significativamente menor que la de la luz: demasiado lentas para ser compatibles con lo que ya hemos observado.

Pero no hay problema. En física, no tenemos inconveniente en considerar todas las explicaciones posibles para un enigma observado. Si hacemos bien nuestro trabajo, podremos considerar todas las explicaciones concebibles, comparar los datos con cada una de ellas y descartarlas todas excepto una. El reto consiste en encontrar la explicación correcta que se ajuste a todas las facetas de nuestras observaciones y que, además, sea altamente predictiva sobre qué señales deberían aparecer frente a las que realmente aparecieron.

¡Y creemos haberlo logrado!

La clave está en pensar en los objetos que se fusionan, la física que entra en juego y qué señales es probable que produzcan. Ya hemos explicado esto con las ondas gravitacionales, detallando cómo se producen durante la fase de espiral y cómo cesan una vez que se produce la fusión. Ahora, es momento de profundizar un poco más y reflexionar sobre la luz.

Hasta que estas dos estrellas de neutrones chocaron, no emitieron luz adicional. Simplemente brillaron como lo hacen las estrellas de neutrones: débilmente, a altas temperaturas pero con superficies minúsculas, y completamente indetectables con nuestra tecnología actual desde 130 millones de años luz de distancia. Las estrellas de neutrones no son como los agujeros negros; no son puntuales. En cambio, son objetos compactos —generalmente de entre 20 y 40 kilómetros de diámetro— pero más densos que un núcleo atómico. Se llaman estrellas de neutrones porque su composición está formada por aproximadamente un 90 % de neutrones, con otros núcleos atómicos y algunos electrones en su periferia.

Cuando dos estrellas de neutrones colisionan, pueden ocurrir tres cosas. Son las siguientes:

1. Puedes formar otra estrella de neutrones, lo cual sucederá si tu masa total es menor a 2,5 veces la masa del Sol.
2. Puedes formar brevemente una nueva estrella de neutrones, que luego colapsa en un agujero negro en menos de un segundo, si tu masa total está entre 2,5 y 2,8 masas solares (dependiendo de la rotación de la estrella de neutrones).
3. O puedes formar un agujero negro directamente, sin una estrella de neutrones intermedia, si tu masa total es mayor a 2,8 masas solares.

A partir de la señal de onda gravitacional que surgió de este evento, oficialmente conocido como GW170817, sabemos que pertenece a la segunda categoría: la señal de fusión y post-fusión existió durante unos cientos de milisegundos antes de desaparecer por completo en un instante, lo que indica que se formó una estrella de neutrones brevemente antes de que se formara un horizonte de sucesos que la engullera por completo.

Sin embargo, la luz logró escapar. La siguiente pregunta era, sencillamente, ¿cómo?

¿Cómo se generó la luz que observamos? De nuevo, se nos ocurrieron tres posibilidades:

1. Inmediatamente, en cuanto las estrellas de neutrones se tocaron, mediante procesos que ocurren en sus superficies.
2. Solo después de que se eyectara material, que colisionaba con el material circundante y producía luz.
3. O desde el interior de las estrellas de neutrones, donde las reacciones generan energía que solo se emite una vez que se propaga al exterior.

En cada caso, las ondas gravitacionales viajan sin perturbaciones una vez generada la señal, pero la luz tarda un tiempo adicional en escapar.

Si se trata de la primera opción, y las fusiones de estrellas de neutrones generan luz en el instante en que entran en contacto, la luz se emite inmediatamente y, por lo tanto, debe retrasarse al atravesar el entorno que rodea a la estrella de neutrones. Dicho entorno debe ser rico en materia, ya que cada estrella de neutrones, con sus partículas cargadas en la superficie y sus intensos campos magnéticos, inevitablemente arranca y expulsa material de la otra.

Si se trata de la segunda o tercera opción, las estrellas de neutrones que se fusionan generan luz, pero esta solo se emite tras un cierto tiempo: ya sea para que el material expulsado impacte contra el material circunestelar o para que la luz generada en el interior de las estrellas de neutrones alcance la superficie. También es posible, en cualquiera de estos casos, que intervengan tanto la emisión retardada como la llegada ralentizada por el material circundante.

Cualquiera de estos escenarios podría explicar fácilmente el retraso de 1,7 s en la llegada de la luz con respecto a las ondas gravitacionales. Pero el 25 de abril de 2019, observamos otra fusión de estrellas de neutrones en ondas gravitacionales, cuya masa era mayor que la de GW170817. No se emitió luz de ningún tipo, lo que desmiente el primer escenario. Al parecer, las estrellas de neutrones no generan luz inmediatamente después de la fusión. En cambio, la emisión de luz se produce después de la emisión de ondas gravitacionales.

Aunque ya estamos en 2025 y contamos con varias detecciones directas de fusiones de estrellas de neutrones mediante la emisión de ondas gravitacionales, GW170817 sigue siendo el único evento multimensajero: donde observamos señales de luz y de ondas gravitacionales provenientes de la misma fusión de estrellas de neutrones. Es una prueba de la increíble precisión que ha alcanzado la astronomía de ondas gravitacionales, que nos permite reconstruir todo lo que tenemos. Al añadir las observaciones electromagnéticas de seguimiento del evento de 2017, que también produjo luz, hemos demostrado de forma concluyente que una gran fracción de los elementos más pesados ​​de nuestro Universo —incluidos el oro, el platino, el yodo y el uranio— provienen, en efecto, de estas fusiones de estrellas de neutrones.

Pero quizá no de todas las fusiones de estrellas de neutrones; tal vez solo aquellas que no forman inmediatamente un agujero negro dan origen a estos elementos, los más pesados ​​de la tabla periódica.

Se requiere material eyectado o reacciones en el interior de la estrella de neutrones para producir estos elementos y, por lo tanto, la luz asociada a una explosión de kilonova. Dicha luz solo se produce una vez que la señal de la onda gravitacional ha cesado, y puede retrasarse aún más al tener que atravesar el material circunestelar. Por ello, aunque la luz y la gravedad viajan exactamente a la velocidad de la luz en el vacío, la luz que observamos no llegó hasta casi dos segundos después de que la señal de la onda gravitacional se detuviera. A medida que recopilemos y observemos más de estos eventos, podremos confirmar y perfeccionar esta explicación de una vez por todas.

Este artículo se publicó por primera vez en octubre de 2023 y se actualizó en noviembre de 2025.