La mejor medición de la fusión de agujeros negros confirma Einstein, Hawking y el teorema de “no cabello”

Las nuevas mediciones de agujeros negros muestran más formas en que Stephen Hawking y Albert Einstein tenían razón

Por Clara Moskowitz editado por Lee Billings

Hace un eón, cuando solo los microbios vivían en la Tierra, un par de agujeros negros unos 1.300 millones de años luz más allá del sistema solar se convirtieron en espiral entre sí hasta que se estrellaron. Los dos se convirtieron en un gran agujero negro que sonó en ondulaciones de espacio de espacio de largo alcance llamado olas gravitacionales.

Estas ondas finalmente llegaron a la Tierra en enero de 2025, donde se registraron en el Experimento del Observatorio de Onda Gravitacional (LIGO) del interferómetro láser (LIGO) Como las mediciones directas más precisas de las ondas gravitacionales jamás realizadas. Estas medidas confirmaron un teorema de 54 años del fallecido físico Stephen Hawking sobre cómo crecen los agujeros negros cuando aumenta su masa. Las olas también confirmaron una propiedad extraña de agujeros negros conocidos como el Teorema “sin cabello”. Los científicos anunciaron los hallazgos en un artículo publicado hoy en Cartas de revisión física.

Los agujeros negros involucrados en el Smash-Up contenían aproximadamente 33 y 32 veces la masa del sol, respectivamente. A medida que cayeron el uno hacia el otro y se unieron, las ondas gravitacionales resultantes se extendieron al universo en todas las direcciones; La fracción que llegó a los detectores de Ligo fue una señal de que los investigadores nombraron GW250114. Estudiar las características particulares de esta señal les permitió determinar los tamaños iniciales de los agujeros negros, así como el hecho de que el agujero negro más grande resultante contenía aproximadamente 62 veces la masa del sol. Las olas también revelaron que los agujeros negros originales tenían una superficie combinada de aproximadamente 240,000 kilómetros cuadrados (aproximadamente del tamaño de Oregon), mientras que el agujero negro final tenía un área de unos 400,000 kilómetros cuadrados (aproximadamente del tamaño de California).

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Estas medidas confirman un Hawking de predicción realizado en 1971 sobre horizontes de eventos de agujeros negros: los límites más allá de los cuales nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su agarre gravitacional.

“El horizonte del evento de un agujero negro es, en cierto sentido, una medida de su entropía” o el desorden, dice David Reitze, director ejecutivo de Ligo. Y las leyes de la termodinámica dicen que la entropía solo puede aumentar, nunca disminuir. “Hay una conexión profunda entre los agujeros negros y la termodinámica. El teorema básicamente dice que si tiene dos agujeros negros que se fusionan para formar un agujero negro más grande, el área total del agujero negro final debe ser al menos igual, pero probablemente más grande que la suma de las áreas iniciales”.

Ahora, por primera vez, los investigadores tienen mediciones precisas para probarlo.

Las observaciones también confirman una idea famosa sobre los agujeros negros llamado teorema “sin cabello”. Esta predicción sugiere que los agujeros negros son objetos fundamentalmente simples sin adornos. Se pueden describir por solo dos números: su masa y su giro. Todos los agujeros negros con la misma masa y giro deben ser exactamente lo mismo, sin características distintivas. Toda la información sobre lo que cayó en el agujero negro, el “cabello”, se pierde detrás del horizonte del evento.

“Debido a que solo pueden describirse por dos números, significa que todo lo que puede medir sobre ellos debe describirse por esos dos números”, dice Katerina Chatziioannou, física del Instituto de Tecnología de California y coautora del nuevo estudio. “Esta señal nos permitió, por primera vez, medir algo que pueda describirse por esos números”.

La señal de onda gravitacional mostró que el objeto quedaba después de que la colisión se ajusta exactamente a una construcción teórica conocida como la métrica Kerr, que describe un agujero negro giratorio dentro de los límites de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein.

“La forma en que pueden ver que la geometría resultante es Kerr es bastante poderosa”, dice Edgar Shaghoulian, físico teórico de la Universidad de California, Santa Cruz, que no participó en la nueva investigación. “Confirmar esto en efecto confirma que lo final que forma es un agujero negro”, agrega, en lugar de Un objeto más esotérico que imita las características de un agujero negroque pueden existir algunas extensiones de la teoría de Einstein.

Los investigadores intentaron previamente probar estas predicciones con ondas gravitacionales, pero las señales relativamente más débiles dejaron mucha incertidumbre en las conclusiones. Las nuevas pruebas ofrecen un nivel de confianza mucho mayor, dice el físico teórico Feryal Özel del Instituto de Tecnología de Georgia, que no participó en la investigación. “Si encontramos alguna evidencia de violación del teorema del área o de la solución Kerr, entonces uno o ambos de los supuestos tendrían que cambiarse”, dice ella. “En otras palabras, la relatividad general necesitaría modificarse, o los objetos no son agujeros negros”.

Este último anuncio de LIGO se produce casi exactamente 10 años después de que el proyecto vio sus primeras olas gravitacionales. La precisión de las mediciones recientes solo era posible ahora, después de que los científicos han ajustado y ajustado a LIGO para ser aproximadamente cuatro veces más sensible que cuando comenzó. Ahora puede identificar distorsiones en tiempo espacial más pequeño que una diez milésimas el ancho de un protón.

LIGO detecta las ondas gravitacionales buscando cambios minuciosos en la longitud de dos brazos dispuestos en forma de L. Cada brazo tiene cuatro kilómetros de largo, y los relojes extremadamente precisos miden el tiempo que lleva la luz láser para viajar su extensión. Si una onda gravitacional se mueve a través de la tierra, el tamaño de una pierna se estirará mientras que su contraparte perpendicular se exprimirá. Ligo emplea dos versiones de esta configuración, una en Hanford, Washington, y otra en Livingston, Luisiana, para distinguir mejor las ondas gravitacionales de las vibraciones locales como terremotos, ondas oceánicas que se estrellan e incluso los rumores del tráfico.

Durante la última década, Ligo y sus homólogos en Italia (llamados Virgo) y Japón (llamado Kagra) han encontrado en el orden de 300 candidatos de fusión de agujeros negros. Colectivamente, estos observatorios ahora detectan tal evento aproximadamente una vez cada tres días. En noviembre, LIGO se cerrará para un proyecto de actualización de varios años que debería aumentar aún más su sensibilidad en aproximadamente otro 25 por ciento. Sin embargo, los científicos están preocupados por una propuesta reciente de la Casa Blanca. para cerrar una de las dos estaciones de Ligoque efectivamente haría que todo el proyecto desaparezca.

Tal movimiento no solo sería un desperdicio de los más de $ 1.5 mil millones que ya se gastan en el experimento, sino también una pérdida profunda para la ciencia que reduciría la astronomía de onda gravitacional en las rodillas al igual que está alcanzando su paso, como lo demuestra este último resultado. “Si clasifica los mejores éxitos de Ligo, las detecciones más importantes que hemos hecho, pondría este muy alto”, dice Reitze. “Esto confirma mucho de lo que ya sabíamos teóricamente. Pero también, creo, muestra el poder de las olas gravitacionales para comprender realmente cómo se comportan los agujeros negros. Y no estamos cerca”.