Los agujeros negros en colisión que resuenan en el espacio y el tiempo demuestran que las teorías de Hawking y Einstein son correctas

Una vez más, resulta que el renombrado físico teórico Stephen Hawking tenía razón. Ah, y Albert Einstein también.

Científicos del Observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser (LIGO) de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos detectaron una onda gravitacional, una ondulación en el espacio-tiempo causada por procesos extremadamente energéticos, como la fusión de dos agujeros negros o la colisión de dos estrellas de neutrones densas.

Resulta que la onda gravitacional se produjo debido a que dos agujeros negros situados a aproximadamente 1.300 millones de años luz de la Tierra, con masas aproximadamente 30 veces la de nuestro Sol, colisionaron y formaron otro agujero negro, con la designación GW250114.

Esto no es inusual para los detectores LIGO , uno ubicado en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Luisiana, que han detectado cerca de 300 de estas interacciones violentas. Pero esta vez, los investigadores lograron aprender mucho más que antes.

Predicciones

La fusión de estos agujeros negros en particular creó lo que los científicos llaman un "zumbido", que produjo dos tonos diferentes, lo que permitió a los investigadores confirmar que un agujero negro puede definirse utilizando solo dos propiedades: masa y giro, algo que fue predicho por el matemático Roy Kerr en 1963.

"Una de las cualidades predichas, exclusivas de un agujero negro, es que… es como si se golpeara un diapasón: sonaría a frecuencias específicas y tendrían una separación específica", dijo Jess McIver, uno de los coautores del estudio, quien también es profesor asociado en la Universidad de Columbia Británica.

Es como la huella dactilar de un agujero negro. Como era una señal tan potente, tan hermosa, pudimos distinguirla con mucha nitidez.

Max Isi, profesor asistente de la Universidad de Columbia y también coautor del estudio, publicado en la revista Physical Review Letters , lo explicó con más detalle.

"Hay dos modos individuales de oscilaciones, dos tonos: un tono fundamental y un sobretono", dijo.

Dado que los tonos coincidían, afirma, se confirma la solución de Kerr. Si los tonos hubieran sido diferentes, implicaría que se necesitan otras propiedades para describir un agujero negro.

Esto demostró que tanto Kerr como Einstein acertaron en sus predicciones sobre los agujeros negros. La teoría de la relatividad general de Einstein predijo la existencia de agujeros negros. Y en el caso de Kerr, sus cálculos se centraron específicamente en los agujeros negros giratorios.

El teorema del área de Hawking

La fusión también confirmó el teorema del área de Hawking, que establece que cuando dos agujeros negros se fusionan, el horizonte de eventos (o el área alrededor del agujero negro de la cual no puede escapar la luz ni la radiación) nunca puede disminuir, solo aumentar.

Tras la fusión de los dos agujeros negros, los científicos pudieron usar la oscilación de la atmósfera para determinar el tamaño final del horizonte de sucesos, también considerado como la superficie del agujero negro. Antes de la fusión, cada agujero negro tenía una superficie de aproximadamente 240.000 kilómetros cuadrados. Después, el nuevo agujero negro tenía una superficie de 400.000 kilómetros cuadrados, lo que confirmaba la afirmación de Hawking.

"Imagino que para Hawking, los agujeros negros, el espacio y el tiempo se han estudiado como abstracciones matemáticas teóricas durante décadas. Y, finalmente, poder ver estos procesos en marcha es asombroso", dijo Isi.

Es asombroso para mí, y no me lo puedo imaginar, ya que él ha trabajado toda su vida en esto. Así que es una lástima que no pudiéramos hacerlo mientras vivía.

Ahora bien, aunque la superficie aumentó, la masa del agujero negro en realidad disminuyó, que es lo que la teoría sugiere que debería ocurrir.

"El área del horizonte de eventos sólo puede crecer", dijo Janna Levin, astrofísica teórica y profesora de física y astronomía en el Barnard College de la Universidad de Columbia, que no participó en la investigación.

Y si lo considerara como un agujero negro original que absorbe a otro, solo podría crecer, pero su masa no es la suma de las dos masas. De hecho, es menor. Pierde parte de esa energía E=MC² en las ondas gravitacionales.

Cada agujero negro tenía aproximadamente 33 veces la masa del Sol. Tras la fusión, el agujero negro tenía una masa 63 veces mayor que la del Sol.

Muy lejos, pero muy ruidoso.

En 2021 se realizó un análisis similar de una fusión de agujeros negros casi idéntica (la primera se detectó en 2015 ). Sin embargo, no arrojó la misma evidencia sólida que este nuevo análisis.

Isi explicó que debido a que la señal de ese agujero negro era más débil, los científicos aún tenían que adivinar, pero que la señal de la fusión reciente era cuatro veces más fuerte.

"Ese artículo de 2021 se puede considerar como una demostración de que algo así sería posible, como una prueba de principio", afirmó, añadiendo que esta fusión era una prueba "real e incontrovertible" de ello.

La detección de una onda gravitacional en 2015 les valió a los investigadores el Premio Nobel de Física en 2017, como parte de la colaboración LIGO-VIRGO. Actualmente, existen más observatorios que detectan ondas gravitacionales, incluido uno en Japón, que conforman la colaboración LIGO-VIRGO-KAGRA.

Tanto McIver como Isi están entusiasmados por las futuras mejoras en los detectores que les ayudarán a descubrir.

McIver dice que no importa cuántas veces los científicos "corten y analicen estos datos de diferentes maneras" para comparar la señal con lo que predijeron Einstein, Kerr y Hawking, la respuesta es que tenían razón.

"A medida que los detectores sigan mejorando, nuestra confianza aumentará, o potencialmente descubriremos algo realmente interesante que no esperábamos".