El 14 de septiembre de 2015, uno de los eventos más poderosos del universo produjo una señal pequeñita en un par de detectores de ondas gravitacionales, uno en Louisiana y otro en el estado de Washington, Estados Unidos. Habían detectado una pareja de objetos de por sí imponentes, dos agujeros negros, chocando entre sí.
Probablemente visualices los agujeros negros como aspiradoras cósmicas, pero son un poco más complejos que eso. Un punto central de la teoría de la gravitación de Einstein es que los objetos suficientemente pesados cambian la forma del espacio que los rodea, y la gravedad es la forma en que experimentamos esta deformación. Los agujeros negros son regiones del espacio tan pequeñas y masivas que representan un punto de no retorno, un “horizonte de eventos” más allá del cual el espacio está tan deformado que todo lleva al centro del agujero negro. Nada, ni siquiera la luz, puede escapar.Outstream Video
Así que, cuando dos agujeros negros colisionan, puedes imaginar que algo grande sucede. De hecho, los científicos han medido el resultado varias veces utilizando los Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser, o LIGO, así como el detector Virgo. Les hemos pedido a varios científicos que nos expliquen lo que ocurre.
Imre Bartos. Físico, profesor asistente de la Universidad de Florida y miembro de la Colaboración Científica LIGO:
Cuando un agujero negro se acerca a otro, ambos se funden en un agujero negro más grande. El nuevo radio del agujero negro es aproximadamente la suma de los dos radios originales, lo que hace que el nuevo agujero negro abarque un volumen mucho más grande. La fusión es algo así como lo que dos gotas de agua harían en el espacio al acercarse.
Los agujeros negros emiten grandes cantidades de ondas gravitacionales a medida que se fusionan. Esto puede convertir un pequeño porcentaje de su masa en energía pura irradiada como ondas gravitacionales.
Detectamos la colisión de dos agujeros negros por primera vez hace no mucho, en 2015, tras la construcción de los observatorios de ondas gravitacionales Advanced LIGO. Con las continuas mejoras tecnológicas, pasaremos de esta primera detección a un descubrimiento semanal en los próximos años. Si bien observamos estas colisiones, aún no sabemos qué proceso cósmico acerca a los agujeros negros para que puedan colisionar. Observar estas colisiones también puede ayudarnos a responder una serie de preguntas sobre los agujeros negros, como por qué funcionan como aceleradores de partículas cósmicas, o si la Teoría de la Relatividad General de Einstein es una descripción correcta de su naturaleza. Las colisiones entre agujeros negros pueden incluso ayudarnos a trazar un mapa de cómo se está expandiendo el universo.
Sabine Hossenfelder. Física teórica en el Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt, en Alemania, autora y bloguera que investiga la gravedad cuántica:
Son puras deformaciones espacio-temporales definidas por el horizonte de eventos que limita una región de la que nada puede escapar.
En el caso más simple, el horizonte de un agujero negro es esférico. Si dos agujeros negros se acercan demasiado, estas esferas se fusionarán y formarán una esfera más grande. Después de la fusión, la esfera se tambaleará un tiempo hasta establecerse, lo que se denomina “ringdown”. Tanto la fusión como esta fase de estabilización producen ondas gravitacionales. La señal de onda gravitacional no solo contiene información sobre agujeros negros que se fusionaron, sino que además nos permite probar si entendemos correctamente cómo se dobla el espacio-tiempo en circunstancias tan extremas. Por lo que sabemos, Einstein tenía razón.
Oliver Jennrich. Científico de la misión de física fundamental de la Agencia Espacial Europea que trabaja en el experimento LISA:
Los agujeros negros emiten ondas gravitacionales y se fusionan en un agujero negro más grande. Pero ese no es el final de la historia. La historia generalmente comienza con dos estrellas que se orbitan entre sí, al igual que la Tierra orbita alrededor del Sol. Si se cumplen las condiciones adecuadas, las dos estrellas se convertirán en agujeros negros cuando su combustible se gaste. Los dos agujeros negros se mantendrán en órbita y reducirán la distancia hasta chocar. En otras palabras: necesitan perder energía. Para los agujeros negros, la única forma de hacerlo es emitiendo ondas gravitacionales. Vuelta a vuelta, el sistema de dos agujeros negros va emitiendo ondas gravitacionales y su órbita se va reduciendo. Cuanto más se acercan, más eficientes se convierten en la emisión de ondas gravitacionales, es decir, la órbita se reduce cada vez más rápido, mientras que la cantidad de ondas gravitacionales se hace más y más grande. Esto se llama la fase inspiral.
En algún momento, los dos agujeros negros están tan cerca uno del otro que su atracción gravitatoria mutua comienza a deformarlos, lo que los acerca aún más hasta que se unen y se convierten en un objeto con forma de cacahuete. Al igual que una burbuja de jabón muy alargada, este agujero negro en forma de cacahuete se tambalea y oscila y, finalmente, recupera una forma esférica. Esta es la fase posterior a la fusión o fase de anillamiento durante la cual el nuevo agujero negro que se tambalea y emite ondas gravitacionales muy características.
La masa del agujero trasero recién formado suele ser un poco más pequeña que la suma de las masas de los dos agujeros negros iniciales: el resto ha sido irradiado por ondas gravitacionales, la mayor parte durante la fase de fusión. Como las masas iniciales de los agujeros negros pueden ser enormes (millones de veces la masa de nuestro Sol), incluso un pequeño porcentaje de esa masa constituye una cantidad muy grande de energía. De hecho, la fusión de dos agujeros negros es el evento más poderoso del Universo, más poderoso que el resto del universo combinado. [Nota del editor: “poderoso” aquí hace referencia a la velocidad a la que se libera la energía.] Sin embargo, los efectos de esa cantidad de energía titánica son muy pequeños: las ondas gravitacionales de tales eventos cambiarían la distancia entre el Sol y la Tierra lo mismo que mide el diámetro de un átomo de hidrógeno.
Los detectores de ondas gravitacionales terrestres, como LIGO y Virgo, son de tamaño kilométrico y capaces de medir las señales que se emiten al fusionar un agujero negro de hasta 30 veces la masa del Sol. Al final de la fase inspiral, los agujeros negros se mueven al 60% de la velocidad de la luz y las ondas gravitacionales resultantes están en el rango de los 100-300 Hz. Para observar agujeros negros mucho más pesados, se necesitan observaciones a frecuencias más bajas. En la Tierra, esas señales están enmascaradas por el ruido causado por los terremotos, el clima y la gente. Por esta razón, LISA, una misión liderada por la ESA, detectará ondas gravitacionales desde el espacio, utilizando tres naves espaciales separadas por 2 millones de kilómetros para registrar ondas gravitacionales en el rango de frecuencia de 30 mHz a 0,1 Hz.
Jillian Bellovary. Astrofísico teórico y profesor asistente en el Queensborough Community College:
Cuando dos agujeros negros chocan entre sí, hacen un agujero negro más grande. Sin embargo, la masa del agujero negro más grande NO es la suma de las masas de los dos más pequeños. Es un poco menos, porque parte de su masa se convierte en energía y se irradia en ondas gravitacionales. Sabemos que esto es cierto porque hemos detectado estas ondulaciones en la estructura del espacio-tiempo con el detector LIGO.
Algo que también creemos que es cierto (pero no hemos observado todavía) es que después de la fusión, el nuevo gran agujero negro recibe un “empujón” y se aleja en una dirección (aparentemente aleatoria). La velocidad y la dirección dependen de las propiedades del sistema binario de agujeros negros antes de fusionarse.
Parte de mi investigación sobre encontrar agujeros negros masivos en galaxias enanas depende de cuán eficiente sea este empujón; si el agujero negro es expulsado de la galaxia (o simplemente es expulsado del centro, haciendo que deambule por las afueras), es mucho más difícil de encontrar, pero estoy tratando de encontrar maneras de localizar estos negros errantes.