La pequeña oscilación de los rayos láser ha confirmado que los agujeros negros emiten una energía enorme y resonante cuando chocan.
“Es el evento más poderoso del universo, porque en un quinto de segundo se pulveriza el equivalente a tres soles enteros y se los convierte en energía”, dice Max Isi, astrónomo de la Universidad de Columbia y de la Fundación Simons, una organización sin fines de lucro dedicada a financiar la ciencia.
Estas detecciones han ayudado a cientos de científicos a probar las teorías fundamentales propuestas por Albert Einstein y Stephen Hawking sobre la relatividad y los agujeros negros.
“Este proceso sigue un principio muy importante de lo que creemos que deberían estar haciendo los agujeros negros”, dice Isi.
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Un agujero negro que suena
Los descubrimientos se realizaron gracias al Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO), que en realidad son dos instalaciones diferentes en el estado de Washington y Luisiana. Ambas instalaciones se encuentran en zonas remotas, aisladas del ruido. En Estados Unidos, funcionan disparando láseres a un divisor de haz, impulsado por óptica cuántica, que los redirige en forma de L. Los rayos divididos viajan a lo largo de pasajes donde chocan contra espejos espaciados aproximadamente a 4 kilómetros (2,5 millas) de distancia.
Si no hay ondas gravitacionales, no pasa luz al otro lado. Sin embargo, a medida que las ondas gravitacionales se mueven a través de ellos, uno se volverá momentánea y mensurablemente más corto que el otro.
En 2015, los científicos de las instalaciones de LIGO detectaron por primera vez una especie de señal de timbre que se produciría por la colisión de dos agujeros negros.
“No han pasado 10 años y los vemos casi cada dos días, lo cual es asombroso”, dice Isi.
Finalmente, el 14 de enero de 2025, los científicos de las instalaciones detectaron la señal más clara que habían visto hasta ahora de agujeros negros en colisión. Estaba más cerca que los demás, a unos mil millones de años luz de distancia.
En un estudio publicado recientemente en Physical Review Letters, Isi y sus colaboradores describieron cómo esta señal vacilante se relacionaba con las teorías de Hawking y Roy Kerr, otro físico que trabajó en la teoría de los agujeros negros. En el estudio participaron casi 1.000 autores de LIGO y dos instalaciones complementarias: el detector de ondas gravitacionales Kamioka (KAGRA) y el interferómetro Virgo en Italia.
¿Qué es un agujero negro que suena?
Los agujeros negros tienen enormes cantidades de energía. Cuando chocan, el espacio y el tiempo a su alrededor se distorsionan, generando ondas que reverberan de manera similar a las ondas sonoras creadas por el sonido de una campana.
Estos se expresan en ondas gravitacionales que tienen un tono y una duración muy específicos que los científicos se han vuelto expertos en detectar en instalaciones como LIGO, KAGRA y Virgo. De la misma manera que las ondas sonoras pueden decir a los oyentes algo sobre el tamaño de una campana, las ondas gravitacionales pueden decir a los científicos algo sobre las propiedades de cualquier cosa que las emita.
Según Kerr, los agujeros negros son objetos simples que pueden describirse únicamente por su masa y su giro. El análisis del zumbido de estas ondas gravitacionales ha proporcionado pruebas sólidas de que así es, sostienen Isi y sus colegas.
A partir de la interrupción de los láseres en estas instalaciones, los investigadores han detectado los dos agujeros negros que existían antes de la colisión de enero de 2025, así como el agujero negro más grande que quedó tras su unión. Y todo esto sucede en aproximadamente un quinto de segundo, seguido de un timbre que dura unos 10 milisegundos.
“Estos agujeros negros parecen ser consistentes con lo que vemos en la teoría”, dice Isi.
Demostrando las teorías de Einstein y Hawking
Einstein nunca predijo directamente la existencia de agujeros negros, pero otros científicos utilizaron su teoría general de la relatividad para predecir su existencia.
Mientras tanto, Hawking creía que los agujeros negros sólo podían crecer en tamaño. Básicamente, esto significaba que el área dentro de sus horizontes de eventos (la frontera por la que no podía regresar ninguna luz que entrara) solo aumentaría.
El propio Hawking creía que la detección de fusiones de agujeros negros iniciada en LIGO en 2015 podría eventualmente confirmar su teoría, pero murió en 2018. En los años siguientes, los métodos de medición mejoraron. Luego, el 14 de enero de 2025, cuando la señal de una colisión de un agujero negro relativamente cercano golpeó la Tierra, Isi y sus colegas pudieron confirmarlo.
En ese caso, los dos agujeros negros que colisionaron tenían cada uno una masa de aproximadamente 33 soles. Cuando se combinaron, el nuevo agujero negro tenía la masa de unos 63 soles; la masa de aproximadamente tres soles que perdió fue la que se emitió en las ondas gravitacionales vibrantes, dice Isi.
La ley del área de Hawking también está relacionada con la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía (básicamente el desorden) siempre aumentará si no se toca. Isi dice que en los agujeros negros, el área dentro del horizonte de sucesos es en realidad una medida de desorden, lo que muestra cómo se relacionan tanto la ley del área de Hawking como la segunda ley de la termodinámica.
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