El Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) detectó una colisión inusualmente fuerte entre dos agujeros negros, lo que permitió a los físicos verificar el teorema del área del agujero negro propuesto por Stephen Hawking en 1971. El 10 de septiembre, los resultados de la investigación relevante se publicaron en Physical Review Letters.

 

Un diagrama de dos agujeros negros fusionándose para crear ondas gravitacionales que viajan a través del universo. Fuente de la imagen: Maggie Chiang para la Fundación Simons

El teorema establece que el horizonte de sucesos de un agujero negro creado cuando dos agujeros negros se fusionan, es decir, el límite donde ni siquiera la luz puede escapar del control del agujero negro, no puede ser menor que la suma de las áreas de los dos agujeros negros originales. Este teorema se hace eco de la segunda ley de la termodinámica. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía, o el desorden dentro de un objeto, nunca disminuye.

Las fusiones de agujeros negros distorsionan la estructura del universo, creando pequeñas fluctuaciones en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales que viajan a través del universo a la velocidad de la luz. Hay cinco observatorios de ondas gravitacionales en la Tierra que buscan ondas diez mil veces más pequeñas que los núcleos de los átomos. Incluyen los dos detectores LIGO en los Estados Unidos, así como el detector Virgo de Italia, el KAGRA de Japón y el GEO600 de Alemania, operados por una colaboración internacional llamada LIGO-Virgo-KAGRA (LVK).

La última colisión, denominada GW250114, es casi idéntica a la colisión que produjo ondas gravitacionales observadas por primera vez en 2015. Ambos agujeros negros tenían entre 30 y 40 veces la masa del Sol y se produjeron a 1.300 millones de años luz de distancia.

Esta vez, los detectores LIGO mejorados son tres veces más sensibles que en 2015, por lo que pueden capturar las ondas producidas por la colisión con un detalle sin precedentes. Esto permitió a los investigadores calcular y confirmar que el área del horizonte de sucesos se hizo más grande después de que los agujeros negros se fusionaron, verificando así el teorema de Hawking.

Laura Nuttall, de la Universidad de Portsmouth en el Reino Unido, miembro del equipo LVK, dijo que cuando los agujeros negros chocan, producen ondas gravitacionales que suenan como campanas. Anteriormente, estos matices se disipaban demasiado rápido para poder observarlos con suficiente claridad como para calcular el área del horizonte de sucesos antes y después de la colisión, lo que se requiere para probar la teoría de Hawking. Un estudio de 2021 sobre la primera colisión detectada apoyó la teoría con un 95% de confianza, pero el nuevo estudio aumenta esa confianza a un convincente 99,999%.

En los 10 años que los científicos llevan observando ondas gravitacionales, han registrado alrededor de 300 colisiones de agujeros negros. Pero ninguna fue capturada con tanta fuerza y ​​claridad como GW250114, que es dos veces más fuerte que otras ondas gravitacionales detectadas hasta ahora.

Cuando las ondas de GW250114 llegaron a la Tierra, sólo estaba funcionando el LIG, no los otros detectores monitoreados por la colaboración LVK. Esto no afecta la prueba de la teoría de Hawking, pero sí significa que los investigadores no pueden determinar con mayor claridad dónde se originan estas ondas en el cielo.

Ian Harry, también del equipo LVK de la Universidad de Portsmouth, dijo que las actualizaciones de LIGO y otros observatorios planificados que entrarán en funcionamiento en el futuro aportarán una mayor sensibilidad, lo que nos permitirá estudiar la física de los agujeros negros con mayor profundidad. "Puede que no captemos todas las señales, pero volveremos a tener eventos como este. La próxima ronda de actualizaciones puede ser en 2028 y veremos algo similar, y tal vez para entonces la sensibilidad haya llegado al punto en que realmente podamos profundizar en ello".

Los hallazgos abren nuevas vías para la investigación de la gravedad cuántica, que los físicos esperan que unifique la relatividad general y la física cuántica. Nuttall dijo que los últimos resultados muestran que la relatividad general y la mecánica cuántica continúan funcionando bien juntas, pero se espera que surjan algunas diferencias en el futuro.

"En algún momento podemos empezar a ver que las cosas no funcionan tan bien juntas, y será entonces cuando obtengamos señales muy cercanas que aparecerán extremadamente fuertes en nuestros datos a medida que aumente la sensibilidad del instrumento", dijo Nuttall.

Los últimos datos de LVK también permitieron a los científicos confirmar una ecuación propuesta por el matemático Roy Kerr en la década de 1960, que predice que los agujeros negros pueden caracterizarse mediante sólo dos métricas: su masa y su giro. Esencialmente, dos agujeros negros con la misma masa y espín son matemáticamente idénticos. "Gracias a las observaciones de GW250114, ahora sabemos que esto es cierto".

Información del artículo relacionado: https://doi.org/10.1103/kw5g-d732