La señal más nítida de la fusión de dos agujeros negros: LIGO confirma una predicción de Stephen Hawking

El 14 de enero de 2025, los instrumentos del observatorio de ondas gravitacionales LIGO, en Estados Unidos, detectaron una nítida señal asociada a uno de los eventos más violentos del universo: dos agujeros negros situados a unos 1 300 millones de años luz habían colisionado, dejando un rastro inequívoco de su posterior fusión.

Denominada GW250114 (en referencia a la fecha de su observación), esta señal de ondas gravitacionales ha permitido conocer con mayor precisión las masas y velocidades de rotación de los agujeros negros iniciales y el resultante de su fusión.

Además, se ha logrado confirmar una de las más importantes predicciones de Stephen Hawking sobre el área de los agujeros negros.

Es, hasta el momento, la señal más nítida de la fusión de dos colosos cósmicos.

Los resultados del sensacional hallazgo han sido publicados en la revista Physical Review Letters, en cuya redacción han participado más de 1 700 autores pertenecientes a 318 centros de investigación y universidades de todo el mundo.

Pero ¿qué señal se ha detectado? ¿Qué son las ondas gravitacionales y cómo se originan estas perturbaciones en el cosmos?

Oscilaciones inferiores al tamaño de un átomo

Cuando un astro masivo –como los agujeros negros que se han detectado– presenta un movimiento de aceleración, se generan unas perturbaciones características que viajan por el universo a la velocidad de la luz, comprimiendo y estirando el espacio a su paso.

El efecto sería similar al de arrojar una piedra a un estanque, donde las ondas se propagan desde el punto de impacto hacia el exterior.

Estas ondas gravitacionales son consecuencia natural de la teoría de la relatividad general, aunque el mismo Einstein no creía que fuera factible detectarlas debido a la extrema debilidad de estas ondulaciones.

Incluso en eventos cósmicos tan violentos como la colisión de dos agujeros negros o estrellas de neutrones, la amplitud de las perturbaciones que alcanzarían la Tierra sería mil veces menor que el tamaño de un protón.

Habría que esperar 100 años desde la predicción de Einstein para descubrir estos nuevos mensajeros en el cosmos, abriendo una nueva era en la observación del universo.

Interferometría óptica por láser

No era tarea fácil el hallazgo de estas ínfimas perturbaciones del espacio-tiempo, ya que los investigadores necesitaban instrumentos capaces de detectar oscilaciones del tamaño del attómetro o de una trillonésima parte del metro.

¿Y cómo se consiguió semejante hazaña tecnológica, tan impensable en los años posteriores al desarrollo de la teoría de la relatividad general?

La respuesta está en la interferometría óptica por láser, una técnica de medición ultraprecisa consistente en hacer superponer dos o más haces de luz para crear un patrón típico de máximos y mínimos. El análisis detallado de este patrón interferencial permite determinar tamaños inferiores al de un átomo.

El fundamento teórico de la interferencia óptica es fácil de entender. Cuando las crestas de las ondas de un haz luminoso coinciden perfectamente con los valles del otro haz, se produce una interferencia destructiva total o mínimo. Por el contrario, cuando las crestas de un haz coinciden perfectamente con las del otro, se produce una interferencia constructiva total o máximo.

A medida que las ondas se desplazan la una sobre la otra se genera un amplio abanico de interferencias, lo que se traduce en diferentes intensidades o brillos en el patrón interferencial, desde los mínimos destructivos hasta los máximos constructivos.

Detectores de ondas gravitacionales

En base a este principio básico interferencial operan los detectores de ondas gravitacionales del mundo, entre los que destacan LIGO en Estados Unidos (con dos instrumentos idénticos separados unos 3 000 kilómetros), VIRGO en Italia y KAGRA en Japón. Estos tres observatorios trabajan de forma conjunta (el consorcio LVK) y ha logrado identificar hasta la fecha unas 300 fusiones de agujeros negros.

Están construidos siguiendo el diseño de un interferómetro de Michelson, donde cada haz láser recorre una determinada distancia o brazo antes de interferir y producir el correspondiente patrón de máximos y mínimos. En el caso de LIGO, cada brazo tiene una longitud de unos 4 kilómetros.

Cuando una onda gravitacional incide desde la parte superior del interferómetro, los brazos del dispositivo se estiran y contraen a su paso, produciendo variaciones del patrón interferencial de máximos y mínimos. Estas ínfimas perturbaciones permiten el estudio de las señales de ondas gravitacionales, así como de los eventos cósmicos que las originan.

GW250114, la señal más potente

Diez años después de la detección de la primera señal de ondas gravitacionales GW150914, la instrumentación mejorada de LIGO (incluyendo avances en ingeniería cuántica de precisión) ha permitido aumentar la sensibilidad del interferómetro, reduciendo considerablemente el ruido de la señal.

En este sentido, la relación señal-ruido (o SNR por su siglas en inglés) de GW250114 es hasta tres veces mayor que la de GW150914, constituyendo la señal de onda gravitacional más potente detectada hasta la fecha.

¿Y qué información portaba esa nítida GW250114?

Como apuntábamos al principio, un análisis exhaustivo de la señal ha determinado que dos agujeros negros de entre 30 y 40 masas solares colisionaron a unos 1 300 millones de años luz de la Tierra. Este estudio previo a la fusión es de menor dificultad, ya que a medida que giran en espiral, los agujeros negros progenitores van perturbando el espacio-tiempo y generando ondas gravitacionales.

La verdadera dificultad radica una vez que se ha producido la fusión, pues la señal no es tan clara. Durante esta nueva fase, conocida como fase de relajación, el agujero negro resultante vibra como una campana golpeada, generando distintos modos de ondas gravitacionales.

En particular, los investigadores lograron identificar con seguridad dos modos de vibración, permitiendo calcular la velocidad de rotación y la masa del agujero negro final, la cual resultó ser de unas 63 masas solares.

El área de los agujeros negros nunca decrece

Una vez conocidas las masas y velocidades de rotación de los agujeros negros, los investigadores son capaces de calcular el área de estos fascinantes objetos cósmicos.

En el caso de la señal GW250114, los 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 la superficie del agujero negro resultante resultó ser de unos 400 000 kilómetros cuadrados (casi el tamaño de Suecia).

Estos resultados son compatibles con el denominado “teorema del área del agujero negro”, una idea propuesta por Stephen Hawking en 1971 que afirma que la superficie total de los agujeros negros no puede disminuir. Cuando los agujeros negros se fusionan, sus masas se combinan, aumentando su superficie.

En 2021 se realizó una comprobación inicial empleando los datos de la primera señal GW150914, con un nivel de confianza del 95 %. Tras el análisis de la nueva señal GW250114, dicho nivel ha alcanzado el 99,999 %, lo cual implica que ahora estamos mucho más seguros de que Stephen Hawking estaba en lo cierto.

Lamentablemente, el físico británico falleció en 2018, años antes de que su teorema del área de los agujeros negros fuera confirmado experimentalmente.

Detectores de ondas gravitacionales en el espacio

En un futuro próximo, la detección de ondas gravitacionales de baja frecuencia (inaccesibles para los interferómetros terrestres como LIGO) será una prioridad en astrofísica, pues permitirá descubrir sistemas binarios ultracompactos en nuestra galaxia o fusiones 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 (Laser Interferometer Space Antenna) y constará de tres naves espaciales, orbitando a cinco millones de kilómetros entre sí y formando un triángulo equilátero.

LISA utilizará un interferómetro láser, similar en principio a los detectores terrestres como LIGO, pero con brazos mucho mas largos para lograr la sensibilidad necesaria que permita detectar las ondas gravitacionales de baja frecuencia.

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.

Óscar del Barco Novillo, Profesor asociado, Departamento de Física (área de Óptica), Universidad de Murcia.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.