Las ondas gravitacionales finalmente demuestran el teorema de agujeros negros de Stephen Hawking

Stephen Hawking’s El teorema de 50 años sobre cómo los agujeros negros se fusionan con éxito se ha probado con éxito gracias a los grandes avances en la astronomía de ondas gravitacionales, lo que ayudó a los astrónomos a atrapar las olas causadas por una colisión inusualmente poderosa al pasar la tierra a la velocidad de la luz.

Hawking propuso el teorema de su área de agujeros negros en 1971, que afirma que cuando se fusionan dos agujeros negros, el horizonte de eventos de Black Hole resultante, el límite más allá del cual ni siquiera la luz puede escapar de las embragues de un agujero negro, no puede tener un área más pequeña que la suma de los dos agujeros negros originales. El teorema hace eco del Segunda ley de la termodinámicaque establece que la entropía, o el desorden dentro de un objeto, nunca disminuye.

Las fusiones de los agujeros negros deforman la tela del universo, produciendo pequeñas fluctuaciones en el espacio-tiempo conocido como olas gravitacionalesque cruzan el universo a la velocidad de la luz. Cinco observatorios de ondas gravitacionales en la tierra buscan olas 10,000 veces más pequeño que el núcleo de un átomo. Incluyen los dos detectores estadounidenses del Observatorio de onda gravitacional del interferómetro láser (LIGO) más el detector de Virgo en Italia, Kagra en Japón y Geo600 en Alemania, operado por una colaboración internacional conocida como Ligo-Virgo-Kagra (LVK).

La reciente colisión, llamada GW250114, fue casi idéntica a la que creó la Primeras olas gravitacionales jamás observado en 2015. Ambos involucraron agujeros negros con masas entre 30 y 40 veces la masa de nuestro sol y tuvieron lugar a unos 1.300 millones de años de luz.

Esta vez, los detectores de LIGO mejorados tuvieron tres veces la sensibilidad que tenían en 2015, por lo que pudieron capturar olas que emanaban de la colisión con detalles sin precedentes. Esto permitió a los investigadores verificar el teorema de Hawking calculando que el área del horizonte del evento era realmente más grande después de la fusión.

Cuando los agujeros negros chocan, producen ondas gravitacionales con matices como el sonar de una campana, dice Laura Nuttall en la Universidad de Portsmouth, Reino Unido, miembro del equipo LVK. Anteriormente, estos connotaciones se han disipado demasiado rápido para ser observados con suficiente claridad para calcular el área de los horizontes de eventos antes y después de las colisiones, lo que era necesario para probar la teoría de Hawking. Un estudio de 2021 sobre la primera colisión detectada respaldó la teoría con un nivel de confianza del 95 por ciento, pero la nueva investigación aumenta esa confianza a un convincente 99.999 por ciento.

En los 10 años que los científicos han estado observando ondas gravitacionales, han registrado unas 300 colisiones de agujeros negros. Pero ninguno ha sido capturado tan fuerte y claramente que GW250114, que era dos veces más fuerte que cualquier otra ola gravitacional detectada hasta la fecha.

“Los que están muy, muy cerca, muy, muy fuertes en nuestros datos, son aquellos en los que realmente podemos comenzar a investigar la física fundamental de lo que está sucediendo, solo porque son muy ruidosos y las incertidumbres son muy pequeñas. Por lo tanto, podemos comenzar a elegir realmente los detalles gritidos de lo que está sucediendo”, dice Nuttall. “Estamos esperando que la naturaleza siga dándonos esas cosas hermosas”.

Solo LIGO estaba funcionando cuando las olas de GW250114 llegaron a la Tierra, no los otros detectores monitoreados por la colaboración LVK. Esto no afectó la prueba de la teoría de Hawking, pero significó que los investigadores no pudieron identificar el origen de las olas en el cielo más claramente.

Las actualizaciones a LIGO y otros observatorios planificados que vendrán en línea en el futuro traerán una sensibilidad aún mayor y nos permitirán profundizar en la física de los agujeros negros, dice Ian Harry, También en la Universidad de Portsmouth y parte del equipo LVK. “Es posible que no los obtenamos todos, pero volveremos a tener un evento como este”, dice Harry. “Tal vez con el siguiente conjunto de actualizaciones, tal vez en 2028, vemos algo como esto y tal vez entonces está en la sensibilidad donde realmente podemos hacer agujeros”.

Los hallazgos allanan el camino para una nueva investigación sobre gravedad cuántica, a través del cual los físicos esperan unir relatividad general y física cuántica. Nuttall dice que los últimos resultados muestran que la relatividad general y la mecánica cuántica continúan funcionando bien juntos, pero se espera cierta discrepancia en el futuro.

“En algún momento podemos comenzar a ver que las cosas dejan de reproducir bien, y esto será cuando obtenemos señales muy cercanas que parecen extremadamente fuertes en nuestros datos a medida que aumenta la sensibilidad de los instrumentos”, dice Nuttall.

Los últimos datos de LVK también permitieron a los científicos confirmar las ecuaciones del matemático Roy Kerr de la década de 1960 que predijo que los agujeros negros pueden caracterizarse por solo dos métricas: su masa y su giro. En esencia, dos agujeros negros con la misma masa y giro son matemáticamente idénticos. Gracias a las observaciones de GW250114, ahora sabemos que es cierto.

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