Corporate y M&A.- El agujero negro en anillo confirma las predicciones de Einstein y Hawking

MADRID 10 Sep. (EUROPA PRESS) -

Gracias a mejoras tecnológicas y un poco de suerte, una fusión de agujeros negros recién descubierta por el Observatorio Gravitacional Europeo proporciona la evidencia más clara hasta la fecha de su funcionamiento y, de paso, confirma las predicciones fundamentales de Albert Einstein y Stephen Hawking, tan buscadas desde hace tiempo. Los resultados se publican en 'Physical Review Letters' por la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA .

Hace una década, los científicos detectaron por primera vez ondas en el tejido del espacio-tiempo, llamadas ondas gravitacionales, a partir de la colisión de dos agujeros negros. Ahora, las nuevas mediciones fueron realizadas por el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferometría Láser (LIGO), con análisis dirigidos por los astrofísicos Maximiliano Isi y Will Farr, del Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York (Estados Unidos). Los resultados revelan información sobre las propiedades de los agujeros negros y la naturaleza fundamental del espacio-tiempo, lo que sugiere la coherencia entre la física cuántica y la relatividad general de Einstein.

"Esta es la visión más clara hasta la fecha sobre la naturaleza de los agujeros negros", apunta Isi, quien también es profesor adjunto en la Universidad de Columbia (Estados Unidos). "Hemos encontrado algunas de las pruebas más sólidas hasta la fecha de que los agujeros negros astrofísicos son los agujeros negros predichos por la teoría de la relatividad general de Albert Einstein".

Para las estrellas masivas, los agujeros negros son la etapa final de su evolución. Son tan densos que ni siquiera la luz puede escapar de su gravedad. Cuando dos agujeros negros colisionan, el evento distorsiona el espacio mismo, creando ondas en el espacio-tiempo que se extienden por el universo, como las ondas sonoras que resuenan al sonar una campana.

Esas ondas que deforman el espacio, llamadas ondas gravitacionales, pueden revelar mucho a los científicos sobre los objetos que las crearon. Así como una campana grande de hierro produce sonidos diferentes a los de una campana más pequeña de aluminio, el "sonido" que produce una fusión de agujeros negros depende específicamente de las propiedades de los agujeros negros involucrados.

Los científicos pueden detectar ondas gravitacionales con instrumentos especiales en observatorios como LIGO en Estados Unidos, Virgo en Italia y KAGRA en Japón. Estos instrumentos miden con precisión el tiempo que tarda un láser en recorrer una trayectoria determinada. A medida que las ondas gravitacionales estiran y comprimen el espacio-tiempo, la longitud del instrumento, y por lo tanto el tiempo de viaje de la luz, cambia minúsculamente. Al medir estos pequeños cambios con gran precisión, los científicos pueden utilizarlos para determinar las características de los agujeros negros.

Se descubrió que las ondas gravitacionales recién descritas se originaron por una fusión que formó un agujero negro con la masa de 63 soles y girando a 100 revoluciones por segundo. Los hallazgos se producen 10 años después de que LIGO detectara por primera vez una fusión de agujeros negros. Desde ese descubrimiento histórico, las mejoras en equipos y técnicas han permitido a los científicos obtener una visión mucho más clara de estos eventos que sacuden el espacio.

"El nuevo par de agujeros negros es casi idéntico al de la primera detección histórica de 2015", asegura Isi. "Pero los instrumentos son mucho mejores, así que podemos analizar la señal de maneras que no eran posibles hace 10 años".

Con estas nuevas señales, Isi y sus colaboradores obtuvieron una visión completa de la colisión desde el momento en que los agujeros negros chocaron entre sí hasta las reverberaciones finales cuando el agujero negro fusionado se asentó en su nuevo estado, lo que ocurrió solo milisegundos después del primer contacto.

Anteriormente, las reverberaciones finales eran difíciles de capturar, ya que para entonces, el sonido del agujero negro sería muy tenue. Por ello, los científicos no podían distinguir el sonido de la colisión del del propio agujero negro final.

En 2021, Isi dirigió un estudio que presentó un método de vanguardia que él, Farr y otros desarrollaron para aislar ciertas frecuencias -o 'tonos'- utilizando datos de la fusión de agujeros negros de 2015. Este método demostró ser eficaz, pero las mediciones de 2015 no fueron lo suficientemente claras como para confirmar predicciones clave sobre los agujeros negros. Sin embargo, con las nuevas mediciones, más precisas, Isi y sus colegas estaban más seguros de haber aislado con éxito la señal de milisegundos del agujero negro final y asentado. Esto permitió realizar pruebas más inequívocas sobre la naturaleza de los agujeros negros.

"Diez milisegundos parecen muy poco, pero nuestros instrumentos son mucho mejores ahora, lo que nos permite analizar a fondo el sonido del último agujero negro", destaca Isi. "Con esta nueva detección, tenemos una visión extremadamente detallada de la señal tanto antes como después de la fusión de los agujeros negros".

Las nuevas observaciones permitieron a los científicos comprobar una conjetura clave que databa de décadas atrás: que los agujeros negros son objetos fundamentalmente simples. En 1963, el físico Roy Kerr utilizó la relatividad general de Einstein para describir matemáticamente los agujeros negros con una sola ecuación. Esta ecuación demostró que los agujeros negros astrofísicos pueden describirse mediante tan solo dos características: espín y masa. Con los nuevos datos, de mayor calidad, los científicos pudieron medir la frecuencia y la duración del repiqueteo del agujero negro fusionado con mayor precisión que nunca. Esto les permitió comprobar que, efectivamente, el agujero negro fusionado es un objeto simple, descrito únicamente por su masa y espín.

Las observaciones también se utilizaron para probar una idea fundamental propuesta por Stephen Hawking, el teorema del área de Hawking. Este afirma que el tamaño del horizonte de sucesos de un agujero negro -la línea más allá de la cual nada, ni siquiera la luz, puede regresar- solo puede crecer. Comprobar la aplicabilidad de este teorema requiere mediciones excepcionales de agujeros negros antes y después de su fusión. Tras la primera detección de fusión de agujeros negros en 2015, Hawking se preguntó si la señal de fusión podría utilizarse para confirmar su teorema. En aquel momento, nadie creía que fuera posible.

Para 2019, un año después de la muerte de Hawking, los métodos habían mejorado lo suficiente como para que se obtuviera una primera confirmación provisional mediante técnicas desarrolladas por Isi, Farr y sus colaboradores. Con una resolución cuatro veces mejor, los nuevos datos brindan a los científicos mucha más confianza en la exactitud del teorema de Hawking.

Al confirmar el teorema de Hawking, los resultados también sugieren conexiones con la segunda ley de la termodinámica. Esta ley establece que una propiedad que mide el desorden de un sistema, conocida como entropía, debe aumentar, o al menos permanecer constante, con el tiempo. Comprender la termodinámica de los agujeros negros podría conducir a avances en otras áreas de la física, incluida la gravedad cuántica, que busca fusionar la relatividad general con la física cuántica.

"Es realmente trascendental que el tamaño del horizonte de eventos de un agujero negro se comporte como la entropía", afirma Isi. "Tiene implicaciones teóricas muy profundas y significa que algunos aspectos de los agujeros negros pueden utilizarse para analizar matemáticamente la verdadera naturaleza del espacio y el tiempo".

En la próxima década, se espera que los detectores sean diez veces más sensibles que los actuales, lo que permitirá realizar pruebas más rigurosas de las características de los agujeros negros.