El 14 de enero de 2025, los instrumentos del Observatorio de Ondas Gravitacionales LIGO, en Estados Unidos, detectaron una clara señal asociada a uno de los eventos más violentos del universo: dos agujeros negros ubicados a una distancia de unos 1.300 millones de años luz colisionaron, dejando un rastro inequívoco de su posterior fusión.
Denominada GV250114 (en referencia a la fecha de su observación), esta señal de ondas gravitacionales permitió conocer con mayor precisión las masas y velocidades de rotación de los agujeros negros iniciales y el resultado de su fusión. Además, se confirmó una de las predicciones más importantes de Stephen Hawking sobre la región de los agujeros negros. Es, hasta el momento, la señal más clara de la fusión de los dos colosos cósmicos.
Los resultados del sensacional descubrimiento fueron publicados en la revista Physical Review Letters, en cuya redacción participaron más de 1.700 autores de 318 centros de investigación y universidades de todo el mundo.
¿Pero qué señal se detectó? ¿Qué son las ondas gravitacionales y cómo surgen estas perturbaciones en el cosmos?
Oscilaciones menores que el tamaño de un átomo.
Cuando una estrella masiva –como los agujeros negros que se han descubierto– exhibe un movimiento de aceleración, se generan perturbaciones características que viajan a través del universo a la velocidad de la luz, comprimiendo y estirando el espacio a su paso. El efecto sería similar a arrojar una piedra a un estanque, donde las ondas se extenderían desde el punto de impacto.
Estas ondas gravitacionales son una consecuencia natural de la teoría de la relatividad general, aunque el propio Einstein no creía viable detectarlas debido a la extrema debilidad de estas ondas.
Incluso en eventos cósmicos tan violentos como la colisión de dos agujeros negros o una estrella de neutrones, la amplitud de las perturbaciones que llegarían a la Tierra sería mil veces menor que el tamaño de un protón.
Recreación artística de la producción de ondas gravitacionales durante la colisión de dos estrellas de neutrones. Créditos: NASA, R. Hurt/Caltech-JPL. CC-BI
Tendríamos que esperar 100 años desde la predicción de Einstein para descubrir estos nuevos mensajeros en el cosmos, iniciando una nueva era en la observación del universo.
Interferometría láser óptica
Encontrar estas pequeñas perturbaciones en el espacio-tiempo no fue una tarea fácil, ya que los investigadores necesitaban instrumentos capaces de detectar oscilaciones del tamaño de un atomómetro o una billonésima de metro.
¿Y cómo se logró tal hazaña tecnológica, tan inimaginable en los años posteriores al desarrollo de la teoría general de la relatividad?
La respuesta está en la interferometría óptica láser, una técnica de medición ultraprecisa que implica la superposición de dos o más haces de luz para crear un patrón típico de altibajos. El análisis detallado de este patrón de interferencia nos permite determinar tamaños más pequeños que los átomos.
Un patrón de anillo resultante de la interferencia entre dos haces de luz. Cambiar esta configuración de máximos y mínimos permitirá a los investigadores saber si una onda gravitacional ha estirado y/o comprimido el espacio a través del cual viaja cada rayo láser. Elaborado por el autor. CC-BI
La base teórica de la interferencia óptica es fácil de entender. Cuando las crestas de onda de un haz de luz coinciden perfectamente con el valle de otro haz, se produce una interferencia destructiva total o mínima. Por el contrario, cuando los picos de un haz coinciden perfectamente con los picos de otro, se produce una interferencia constructiva completa o máxima.
Interferencia constructiva o máximos (izquierda) e interferencia destructiva o mínimos (derecha) como resultado de la interferencia entre dos ondas. Crédito: Caltech-JPL. CC-BI
A medida que las ondas se mueven unas sobre otras, se crea una amplia gama de interferencias, lo que se traduce en intensidades o brillos variables en el patrón de interferencia, desde mínimos destructivos hasta máximos constructivos.
Detectores de ondas gravitacionales
Los detectores de ondas gravitacionales del mundo funcionan sobre la base de este principio básico de interferencia, entre los que destacan LIGO en Estados Unidos (con dos instrumentos idénticos separados por unos 3.000 kilómetros), VIRGO en Italia y KAGRA en Japón. Estos tres observatorios trabajan juntos (el consorcio LVK) y han logrado identificar hasta la fecha unas 300 fusiones de agujeros negros.
Están fabricados según el diseño del interferómetro de Michelson, donde cada rayo láser recorre una determinada distancia o brazo antes de interferir y producir un patrón correspondiente de máximos y mínimos. En el caso de LIGO, cada brazo tiene unos 4 kilómetros de largo.
Ilustración esquemática del detector de ondas gravitacionales LIGO basado en el interferómetro de Michelson. Cuando el rayo láser (1) incide en el espejo orientado a 45º (2), se divide en otros dos rayos, cada uno de los cuales viaja a lo largo de una trayectoria o brazo de diferente longitud. Cuando cada haz se refleja en el último espejo (3), regresa al espejo orientado (2), interfiere y genera un patrón de interferencia de máximos y mínimos en el fotodetector (4). Crédito: Caltech/MIT/LIGO Lab. CC-BI
Cuando una onda gravitacional golpea la parte superior del interferómetro, los brazos del dispositivo se estiran y contraen a medida que pasa, creando variaciones en el patrón de interferencia de máximos y mínimos. Estas pequeñas perturbaciones permiten estudiar las señales de las ondas gravitacionales, así como los eventos cósmicos que las provocan.
GV250114, la señal más potente
Diez años después de la detección de la primera señal de onda gravitacional de GV150914, la instrumentación mejorada de LIGO (incluidos avances en ingeniería cuántica de precisión) ha aumentado la sensibilidad del interferómetro, reduciendo significativamente el ruido de la señal.
En este sentido, la relación señal-ruido (o SNR) de GV250114 es hasta tres veces mayor que la de GV150914, lo que representa la señal de ondas gravitacionales más potente detectada hasta la fecha.
Eliminación de ruido de las señales de ondas gravitacionales en LIGO desde la primera detectada (GV150914, arriba) hasta la actual (GV250114, abajo). En ambos gráficos, la curva violeta representa los datos registrados por el dispositivo (combinando la señal de la onda gravitacional y el ruido del detector), mientras que la curva verde muestra el mejor ajuste compatible con las predicciones de la relatividad general. Crédito: LIGO/J. Tisino (GSSI)/R. Herido (Caltech-IPAC). CC-BI
¿Y qué información llevaba ese GV250114 puro?
Como señalamos al principio, un análisis exhaustivo de la señal determinó que dos agujeros negros de 30 a 40 masas solares colisionaron a unos 1.300 millones de años luz de la Tierra. Este estudio previo a la fusión es menos difícil porque, a medida que giran en espiral, los agujeros negros progenitores alteran el espacio-tiempo y crean ondas gravitacionales.
La verdadera dificultad radica en el momento en que se produce la conexión, ya que la señal no es tan clara. Durante esta nueva fase, conocida como fase de relajación, el agujero negro resultante vibra como una campana golpeada, creando diferentes modos de ondas gravitacionales.
En particular, los investigadores pudieron identificar con seguridad dos modos de vibración, lo que les permitió calcular la velocidad de rotación y la masa del agujero negro final, que resultó tener unas 63 masas solares.
Animación de la fusión de dos agujeros negros según el evento de onda gravitacional GV250114. La primera parte del vídeo muestra la espiral y la fusión de ambos agujeros negros, así como la posterior fase de relajación y dos modos de vibración claramente identificados. Créditos: H. Pfeiffer, A. Buonano (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), K. Mitman (Universidad de Cornell). La superficie de los agujeros negros nunca se reduce
Una vez conocidas las masas y velocidades de rotación de los agujeros negros, los investigadores podrán calcular la superficie de estos fascinantes objetos cósmicos.
En el caso de la señal GV250114, análisis posteriores determinaron que los agujeros negros iniciales tenían una superficie total de 240.000 kilómetros cuadrados (aproximadamente el tamaño del Reino Unido), mientras que el área del agujero negro resultante resultó ser de unos 400.000 kilómetros cuadrados (casi el tamaño de Suecia).
Estos resultados son compatibles con el llamado "teorema de la superficie de los agujeros negros", una idea propuesta por Stephen Hawking en 1971 que establece que la superficie total de los agujeros negros no puede reducirse. Cuando los agujeros negros se fusionan, sus masas se combinan, aumentando su superficie.
Cuando dos agujeros negros se fusionan, el área del agujero negro final es mayor que la suma de las áreas de los agujeros negros originales. Créditos: Caltech/MIT/LIGO Lab., Luci Reading-Ikkanda/Simons Foundation. CC-BI
La verificación inicial se realizó en 2021 utilizando datos de la primera señal de GV150914, con un nivel de confianza del 95%. Tras analizar la nueva señal GV250114, este nivel alcanzó el 99,999%, lo que significa que ahora estamos mucho más seguros de que Stephen Hawking tenía razón.
Lamentablemente, el físico británico murió en 2018, años antes de que se confirmara experimentalmente su teorema sobre la superficie de un agujero negro.
Detectores de ondas gravitacionales en el espacio
En un futuro próximo, la detección de ondas gravitacionales de baja frecuencia (inalcanzables para interferómetros terrestres como LIGO) será una prioridad en astrofísica, ya que permitirán detectar binarias ultracompactas en nuestra galaxia o la fusión de agujeros negros supermasivos en los centros galácticos.
Para ello, las agencias espaciales NASA y ESA están llevando a cabo un proyecto conjunto para construir un interferómetro en el espacio. Se llamará LISA (Antena Espacial de Interferómetro Láser) y estará compuesta por tres naves espaciales, que orbitarán a cinco millones de kilómetros una de otra y formarán un triángulo equilátero.
LISA utilizará un interferómetro láser, similar en principio a los detectores terrestres como LIGO, pero con brazos mucho más largos para lograr la sensibilidad necesaria para detectar ondas gravitacionales de baja frecuencia.
Recreación artística del proyecto LISA, un interferómetro gigante en el espacio formado por tres naves espaciales separadas por millones de kilómetros. Su sensibilidad será de tal magnitud que podrá identificar fusiones de agujeros negros supermasivos. Crédito: NASA. CC-BI
El 14 de septiembre de 2015 se abrió una nueva ventana a la observación del cosmos, y no cabe duda de que su futuro es muy prometedor.
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