Los astrónomos han detectado una colisión entre dos agujeros negros con detalles sin precedentes, ofreciendo la visión más clara hasta 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 conoció en enero cuando los investigadores lo vieron con el Observatorio de onda gravitacional del interferómetro láser (LIGO), un conjunto de dos instrumentos idénticos ubicados en Livingston, Louisiana y Hanford, Washington.
Los instrumentos detectaron ondas gravitacionales, ondas débiles en el espacio-tiempo producido por los dos agujeros negros que se golpean entre sí.
Buscando ondas gravitacionales, los fenómenos predichos en 1915 como parte de la teoría de la relatividad de Einstein, es la única forma de identificar colisiones de agujeros negros de la Tierra. (Getty)
Buscando ondas gravitacionales, los fenómenos predichos en 1915 como parte de la teoría de la relatividad de Einstein, es la única forma de identificar colisiones de agujeros negros de la Tierra.
Einstein creía que las olas serían demasiado débiles para ser recogidas por la tecnología humana, pero en septiembre de 2015, Ligo las registró por primera vez, luego obteniendo un premio Nobel para tres científicos que hicieron contribuciones clave al desarrollo de este “telescopio de agujeros negros”.
Los agujeros negros recién detectados eran cada uno alrededor de 30 a 35 veces la masa del sol, y estaban girando muy lentamente, dijo Maximiliano ISI, profesor asistente de astronomía en la Universidad de Columbia y astrofísico en el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York.
ISI lideró un nuevo estudiar Para la colaboración Ligo-Virgo-Kagra en los datos GW250114, que publicaron el miércoles en la revista Physical Review Letters.
“Los agujeros negros estaban a unos mil millones de años luz de distancia, y estaban orbitando entre sí en un círculo casi perfecto”, dijo ISI.
“El agujero negro resultante era alrededor de 63 veces la masa del sol, y estaba girando a 100 revoluciones por segundo”.
Estas características hacen de la fusión 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 mucho mayor claridad, ya que se acercaron y se fusionaron en uno solo”, agregó.
ISI dijo que la observación ofrece a los científicos una visión totalmente nueva de “la dinámica del espacio y el tiempo”.
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Ligo, que también tiene dos instrumentos hermanos más pequeños, Virgo en Italia y Kagra en Japón, es administrado por una comunidad científica global de unos 1600 investigadores.
Funciona detectando pequeños estiramientos en el espacio causados por las ondas gravitacionales que equivalen a “un cambio en la distancia que es 1000 veces más pequeño que el radio del núcleo de un átomo”, como dice ISI.
Los científicos lo han usado 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 masivos hasta la fecha entre dos agujeros negros aproximadamente 100 y 140 veces la masa del sol.
La segunda predicción confirmada por GW250114 es una realizada en 1971 por el físico británico Stephen Hawking (AAP)
Desde su debut, algunos de los componentes clave de Ligo, incluidos sus láseres y espejos, se han actualizado para aumentar la precisión y reducir el ruido de fondo.
Este rendimiento mejorado hizo su nueva observación durante tres veces más precisa que la inaugural hace una década.
Esa claridad sin precedentes permitió a los astrónomos usar GW250114 para confirmar las predicciones sobre los agujeros negros hechos hace décadas por físicos prominentes.
La primera predicción, ideada por el matemático de Nueva Zelanda Roy Kerr en 1963, se basa en la teoría de la relatividad general de Einstein, y afirma que los agujeros negros deben 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”, dijo ISI, “pero matemáticamente creemos que deberían describirse completamente por dos números. Todo lo que hay que saber sobre ellos debería provenir de lo grande que es el agujero negro, o qué es su masa, y cuán rápido está rotando”.
Para probar esta teoría, los investigadores utilizaron una característica única de las colisiones de agujeros negros: un “sono” 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: suenan en ondas gravitacionales”.
Este sonido incluye información sobre la estructura del agujero negro y el espacio a su alrededor, agregó ISI.
Aunque el fenómeno se observó ligeramente antes, GW250114 devolvió una señal con “dos modos … un modo fundamental y un sobremarco” con mucha más claridad.
“Identificamos dos componentes de este sonro, y eso nos permitió probar que este agujero negro realmente es 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 deben tener sin características, de alguna manera. Es la primera vez que podemos ver esto tan convincentemente”.
Teorema de la superficie de Hawking
La segunda predicción confirmada por GW250114 es una realizada en 1971 por el físico británico Stephen Hawking, que establece que cuando se fusionan dos agujeros negros, la superficie resultante debe ser igual o mayor que la de los agujeros negros originales.
“Es un teorema profundo pero muy simple que dice que la superficie total de un agujero negro nunca puede disminuir, solo puede crecer o permanecer igual”, dijo ISI.
Aunque las observaciones de LIGO anteriores ofrecían tentativas confirmaciones Del teorema, la claridad de esta nueva señal brinda a los investigadores una confianza incomparable, dijo ISI.
“Debido a que podemos identificar la parte de la señal que proviene de los agujeros negros desde el principio, ya que están separados entre sí, podemos inferir sus áreas de eso”, explicó.
Luego podemos ver la parte 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 destinatarios del Premio Nobel de contribuciones de 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.
La impresión de un artista de GW250114, una poderosa colisión entre dos agujeros negros observados por astrónomos con detalles sin precedentes.
“Si Hawking estuviera vivo, se habría deleitado al ver aumentar el área de los agujeros negros fusionados”, dijo Thorne sobre el estimado físico, quien murió en 2018, en un comunicado sobre los nuevos hallazgos.
Es notable cómo este trabajo seminal y teórico se confirma décadas después con instrumentos avanzados, dijo ISI.
Y confirmar la ecuación de Hawking, agregó, podría tener implicaciones para un objetivo muy solicitado en física, combinando 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 nueva rama de astronomía. Ha revolucionado lo que pensamos sobre los objetos compactos, los agujeros negros en particular”, dijo.
“Antes de que Ligo se encendiera, la gente ni siquiera estaba segura de que los agujeros negros pudieran fusionarse, estrellarse y formarse de esta manera”.
Las ondas gravitacionales son muy débiles, y la tarea titánica de detectarlas a menudo se describe como buscando 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 a los detectores de LIGO como “audífonos” que ayudan con este proceso.
“Un gran grupo de científicos pasó los últimos diez años mejorando esos audífonos, y ahora podemos” escuchar “las señales con una claridad mucho mayor”, dijo en un correo electrónico.
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“Ahora podemos probar los principios fundamentales de la gravedad que no pudimos probar hace diez años”.
Entre estos principios, agregó, se encuentra la idea de que los agujeros negros son los objetos macroscópicos más simples del universo.
El nivel de detalle en el “sono” 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, que Berti dice que es “terriblemente emocionante”.
Leor Barack, profesor de física matemática en la Universidad de Southampton en Inglaterra que tampoco fue 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 llama al nuevo estudio un análisis desde hace mucho tiempo.
Los científicos pudieron extraer dos de los “tonos puros” del agujero negro remanente mientras se establecía en su forma final, agregó Barack.
“Esto incluyó, por primera vez, una extracción clara del primer ‘Ofbone’, un sonido armonioso más débil del agujero de timbre, además del tono primario”, dijo.
“Este tipo de prueba es el más preciso hasta la fecha, por un margen largo”.
El estudio representa un hito significativo en la astronomía de ondas gravitacionales, dijo Macarena Lagos, profesora asistente en el Instituto de Astrofísica de la Universidad Andrés Bello en Chile. Lagos tampoco participó en el trabajo.
Ella estuvo de acuerdo en que la detección de un segundo tono en el agujero negro “sonando” es particularmente significativa, y agregó que GW250114 demuestra el éxito de las mejoras continuas de Ligo y muestra que las detecciones de onda gravitacional pueden probar la física fundamental de manera nunca antes posible.
“Si bien las pruebas actuales de gravedad todavía tienen incertidumbres amplias, este trabajo sienta las bases para futuras detecciones” de una mejor calidad esperada en los próximos años, dijo Lagos en un correo electrónico.
“Estas observaciones futuras prometen proporcionar pruebas más precisas de nuestra comprensión del espacio -tiempo y la gravedad”.
