Astrónomos han detectado una colisión entre dos agujeros negros con un detalle sin precedentes, ofreciendo la visión más clara hasta ahora sobre la naturaleza de estas rarezas cósmicas y confirmando predicciones de larga data hechas por los legendarios físicos Albert Einstein y Stephen Hawking.
El evento, denominado GW250114, se dio a conocer en enero cuando investigadores lo detectaron con el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO, por sus siglas en inglés) —un conjunto de dos instrumentos idénticos ubicados en Livingston, Louisiana, y Hanford, Washington. Los instrumentos detectaron ondas gravitacionales, débiles ondulaciones en el espacio-tiempo producidas por los dos agujeros negros al colisionar entre sí.
La búsqueda de ondas gravitacionales, fenómenos predichos en 1915 como parte de la teoría de la relatividad de Einstein, es la única forma de identificar colisiones de agujeros negros desde la Tierra. Einstein creía que las ondas serían demasiado débiles para ser detectadas por la tecnología humana, pero en septiembre de 2015, LIGO las registró por primera vez, lo que más tarde le valió un Premio Nobel a tres científicos que hicieron contribuciones clave al desarrollo de este “telescopio de agujeros negros”.
Los agujeros negros recién detectados tenían cada uno entre 30 y 35 veces la masa del sol, y giraban muy lentamente, dijo Maximiliano Isi, profesor asistente de astronomía en la Universidad de Columbia y astrofísico en el Centro de Astrofísica Computacional del Flatiron Institute en Nueva York. Isi lideró un nuevo estudio para la Colaboración LIGO-Virgo-KAGRA sobre los datos de GW250114, que se publicó el miércoles en la revista Physical Review Letters.
“Los agujeros negros estaban a unos 1.000 millones de años luz de distancia, y estaban orbitando uno alrededor del otro en un círculo casi perfecto”, dijo Isi. “El agujero negro resultante tenía unas 63 veces la masa del sol, y estaba girando a 100 revoluciones por segundo”.
Estas características hacen que la fusión sea una réplica casi exacta de esa primera detección innovadora de hace 10 años, según Isi. “Pero ahora, debido a que los instrumentos han mejorado tanto desde entonces, podemos ver estos dos agujeros negros con mucha mayor claridad, a medida que se acercaban y se fusionaban en uno solo”, añadió.
Isi indicó que la observación ofrece a los científicos una visión totalmente nueva de “la dinámica del espacio y el tiempo”.
LIGO, que también cuenta con dos instrumentos hermanos más pequeños —Virgo en Italia y KAGRA en Japón—, es gestionado por una comunidad científica global de unos 1.600 investigadores. Funciona detectando pequeñas distorsiones en el espacio causadas por las ondas gravitacionales que equivalen a “un cambio en la distancia que es 1.000 veces más pequeño que el radio del núcleo de un átomo”, como lo expresa Isi. Los científicos lo han utilizado para observar más de 300 fusiones de agujeros negros hasta ahora.
A principios de este año, el instrumento detectó la colisión de agujeros negros más masiva hasta la fecha entre dos agujeros negros de aproximadamente 100 y 140 veces la masa del sol.
Desde su debut, algunos de los componentes clave de LIGO —incluidos sus láseres y espejos— han sido mejorados para aumentar la precisión y reducir el ruido de fondo. Este rendimiento mejorado hizo que su nueva observación fuera más de tres veces más precisa que la inaugural hace una década.
Esa claridad sin precedentes permitió a los astrónomos utilizar GW250114 para confirmar predicciones sobre agujeros negros hechas hace décadas por prominentes físicos.
La primera predicción, ideada por el matemático neozelandés Roy Kerr en 1963, se basa en la teoría de la relatividad general de Einstein y afirma que los agujeros negros deberían ser objetos paradójicamente simples, descritos por una sola ecuación.
“Sí, los agujeros negros son muy misteriosos, complejos y tienen implicaciones importantes para la evolución del universo”, comentó Isi, “pero matemáticamente creemos que deberían describirse completamente con solo dos números. Todo lo que hay que saber sobre ellos debería provenir de cuán grande es el agujero negro —o cuál es su masa— y cuán rápido está girando”.
Para probar esta teoría, los investigadores utilizaron una característica única de las colisiones de agujeros negros: una “resonancia” o vibración —como una campana que ha sido golpeada— que produce el agujero negro final. “Si tienes una campana y la golpeas con un martillo, sonará”, señaló Isi. “El tono y la duración del sonido, las características del sonido, te dicen algo sobre de qué está hecha la campana. Con los agujeros negros sucede algo similar: resuenan en ondas gravitacionales”.
Esta resonancia incluye información sobre la estructura del agujero negro y el espacio que lo rodea, añadió Isi. Aunque el fenómeno se observó débilmente antes, GW250114 devolvió una señal con “dos modos… un modo fundamental y un sobretono” con mucha más claridad.
“Identificamos dos componentes de esta resonancia, y eso nos permitió probar que este agujero negro es realmente consistente con ser descrito por solo dos números, masa y rotación”, dijo. “Y esto es fundamental para nuestra comprensión de cómo funcionan el espacio y el tiempo: que estos agujeros negros deberían ser sin rasgos distintivos, de alguna manera. Es la primera vez que podemos notar esto de manera tan convincente”.
La segunda predicción confirmada por GW250114 es una hecha en 1971 por el físico británico Stephen Hawking, que establece que cuando dos agujeros negros se fusionan, el área de superficie resultante debe ser igual o mayor que la de los agujeros negros originales.
“Es un teorema profundo, pero muy simple, que dice que el área de superficie total de un agujero negro nunca puede disminuir; solo puede hacerse más grande o permanecer igual”, dijo Isi.
Aunque observaciones anteriores de LIGO ofrecieron confirmaciones tentativas del teorema, la claridad de esta nueva señal da a los investigadores una confianza sin precedentes, dijo Isi.
“Debido a que podemos identificar la porción de la señal que proviene de los agujeros negros desde el principio, a medida que se separan entre sí, podemos inferir sus áreas a partir de eso”, explicó. “Luego podemos observar la porción final de la señal que proviene del agujero negro final y medir su propia área”.
Al igual que la ecuación de Kerr, el teorema de Hawking también utiliza el trabajo de Einstein como base: “Las teorías de Einstein son como el sistema operativo para todo esto”, explicó Isi.
Kip Thorne, uno de los tres galardonados con el Premio Nobel por las contribuciones a LIGO, dijo que Hawking lo llamó tan pronto como se enteró de la detección de ondas gravitacionales de 2015 para preguntar si LIGO podría probar su teorema. “Si Hawking estuviera vivo, se habría deleitado al ver aumentar el área de los agujeros negros fusionados”, afirmó Thorne sobre el estimado físico, quien murió en 2018, en un comunicado sobre los nuevos hallazgos.
Es notable cómo este trabajo teórico seminal se confirma décadas después con instrumentos avanzados, dijo Isi. Y confirmar la ecuación de Hawking, añadió, podría tener implicaciones para un objetivo muy buscado en la física: combinar la teoría aparentemente incompatible de la relatividad general, que describe la gravedad, con la mecánica cuántica, que se relaciona con el mundo subatómico.
“LIGO ha creado una rama completamente nueva de la astronomía. Ha revolucionado lo que pensamos sobre los objetos compactos, los agujeros negros en particular”, afirmó.
“Antes de que LIGO se activara, la gente ni siquiera estaba segura de que los agujeros negros pudieran fusionarse, chocar y formarse de esta manera”.
Las ondas gravitacionales son muy débiles, y la tarea titánica de detectarlas a menudo se describe como buscar una aguja en un pajar, según Emanuele Berti, profesor de física y astronomía en la Universidad Johns Hopkins que no participó en el estudio. Describió los detectores LIGO como “audífonos” que ayudan en este proceso.
“Un numeroso grupo de científicos pasó los últimos diez años mejorando esos audífonos, y ahora podemos ‘escuchar’ las señales con mucha mayor claridad”, explicó en un correo electrónico. “Ahora podemos probar principios fundamentales de la gravedad que no podíamos probar hace diez años”.
Entre estos principios, añadió, está la idea de que los agujeros negros son los objetos macroscópicos más simples del universo. El nivel de detalle en el “zumbido” producido por la colisión GW250114 significa que los científicos pueden decir con confianza que el objeto final es consistente con los agujeros negros predichos por la relatividad general de Einstein, lo que Berti dice que es “tremendamente emocionante”.
Leor Barack, profesor de física matemática en la Universidad de Southampton en Inglaterra, quien tampoco formó parte del estudio, señaló que entre los más de 300 eventos de fusión de agujeros negros registrados por LIGO, el último se destaca como “particularmente espectacular”, y califica el nuevo estudio como un análisis largamente esperado. Los científicos pudieron extraer dos de los “tonos puros” del agujero negro remanente a medida que se asentaba en su forma final, añadió Barack.
“Esto incluyó, por primera vez, una extracción clara del primer ‘sobretono’, un sonido armónico más débil del agujero resonante, además del tono primario”, dijo. “Este tipo de prueba es la más precisa hasta la fecha, por un amplio margen”.
El estudio representa un hito significativo en la astronomía de ondas gravitacionales, según Macarena Lagos, profesora asistente en el Instituto de Astrofísica de la Universidad Andrés Bello en Chile. Lagos tampoco estuvo involucrada en el trabajo.
Ella estuvo de acuerdo en que la detección de un segundo tono en el agujero negro “resonante” es particularmente significativa, e indicó que el GW250114 demuestra el éxito de las mejoras continuas de LIGO y muestra que las detecciones de ondas gravitacionales pueden probar la física fundamental de maneras nunca antes posibles.
“Si bien las pruebas actuales de la gravedad aún tienen amplias incertidumbres, este trabajo sienta las bases para futuras detecciones” de una calidad aún mejor que se esperan en los próximos años, dijo Lagos en un correo electrónico. “Estas futuras observaciones prometen proporcionar pruebas más precisas de nuestra comprensión del espacio-tiempo y la gravedad”.
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