Ondas gravitacionales confirman teorías sobre agujeros negros

Científicos de la Universidad de Birmingham han confirmado dos antiguas teorías relacionadas con los agujeros negros gracias a la detección de la señal de onda gravitacional más claramente registrada hasta la fecha.

Así, diez años después de detectar la primera onda gravitacional, la Colaboración LIGO-Virgo-KAGRA ha anunciado la detección de GW250114, una onda en el espacio-tiempo que ofrece información sin precedentes sobre la naturaleza de los agujeros negros y las leyes fundamentales de la física.

Al publicar sus hallazgos en 'Physical Review Letters', el grupo internacional de investigadores, incluidos expertos de la Universidad de Birmingham, señala que GW250114 se detectó con una relación señal-ruido de 80. Esta claridad permitió realizar pruebas precisas de la relatividad general y la termodinámica de los agujeros negros.

En concreto, el estudio confirma la predicción del profesor Stephen Hawking de 1971 de que cuando los agujeros negros colisionan, el área total del horizonte de sucesos del agujero negro resultante es mayor que la suma de los agujeros negros individuales: no puede encogerse.

La investigación también confirmó la naturaleza de Kerr de los agujeros negros: un conjunto de ecuaciones desarrolladas en 1963 por el matemático neozelandés Roy Kerr, que explican con precisión cómo se ven el espacio y el tiempo cerca de un agujero negro en rotación. La métrica de Kerr predice efectos como el "arrastre" del espacio y la formación de bucles de luz para crear múltiples copias de los objetos.

Geraint Pratten, miembro de la Royal Society University Fellow en la Universidad de Birmingham y miembro del equipo de redacción del artículo de LVK, comenta: "GW250114 es el evento de ondas gravitacionales más potente que hemos detectado hasta la fecha; fue como un susurro que se transforma en un grito. Esto nos brindó una oportunidad sin precedentes para someter las teorías de Einstein a las pruebas más rigurosas posibles, validando una de las predicciones pioneras de Stephen Hawking: cuando los agujeros negros se fusionan, el área combinada de sus horizontes de eventos solo puede crecer, nunca disminuir".

GW250114 fue detectado por los detectores gemelos del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) en Estados Unidos. LIGO opera en coordinación con dos socios internacionales: el detector de ondas gravitacionales Virgo en Italia y KAGRA en Japón, formando una red de búsqueda de ondas gravitacionales, conocida como LVK (LIGO, Virgo, KAGRA).

El equipo LVK, que incluye miembros de la Universidad de Birmingham, pudo establecer que GW250114 fue generado por la colisión de dos agujeros negros con masas de aproximadamente 32 veces la de nuestro Sol.

LIGO detecta una onda gravitacional que atraviesa la Tierra cada pocos días, pero GW250114 ha resultado ser especial. Los datos muestran que los agujeros negros iniciales tenían una superficie total de aproximadamente el tamaño del Reino Unido (240.000 kilómetros cuadrados), mientras que el área final fue de unos 400.000 kilómetros cuadrados (aproximadamente el tamaño de Suecia).

En la década de 1970, Hawking y el físico Jacob Bekenstein concluyeron que el área del agujero negro es proporcional a su entropía, o grado de desorden, allanando el camino para trabajos innovadores posteriores en el campo de la gravedad cuántica, que intenta unir dos pilares de la física moderna: la relatividad general y la física cuántica.

Después de que los agujeros negros se fusionaron, durante lo que los físicos llaman la fase de reducción, el agujero negro final vibra emitiendo ondas gravitacionales a frecuencias específicas, como los sonidos característicos que haría una campana al ser golpeada, las "voces" del agujero negro.

La solución de Roy Kerr predice que un agujero negro, y sus "voces" al ser perturbado, se describen únicamente con dos números: la masa y el espín. Las implicaciones de este resultado revolucionario distinguen a los agujeros negros de cualquier otro objeto celeste: una estrella solo puede describirse mediante un conjunto muy amplio de propiedades complejas, mientras que incluso agujeros negros con una masa un millón de veces superior a la del Sol se describen sorprendentemente con solo dos simples números: masa y espín.

Gregorio Carullo, profesor adjunto de la Universidad de Birmingham y coordinador de uno de los equipos de análisis de LVK, detalla: "Dada la claridad de la señal producida por GW250114, por primera vez pudimos distinguir dos 'tonos' de las voces de los agujeros negros y confirmar que se comportan según la predicción de Kerr, obteniendo evidencia sólida sin precedentes de la naturaleza Kerr de los agujeros negros que se encuentran en la naturaleza".

Los resultados se publican casi exactamente diez años después de la primera observación histórica de ondas gravitacionales. El 14 de septiembre de 2015, llegó a la Tierra una señal con información sobre un par de agujeros negros remotos que se habían fusionado en espiral.

Este descubrimiento histórico, al que los investigadores de Birmingham hicieron amplias contribuciones desarrollando hardware para los detectores LIGO, modelos altamente precisos de ondas gravitacionales generadas por la fusión de agujeros negros y técnicas de análisis para extraer de los datos las propiedades de los agujeros negros, significó que los científicos ahora pueden sentir el universo a través de tres medios diferentes.