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LIGO, Virgo y KAGRA celebran el aniversario de la primera detección de ondas gravitacionales y anuncian la verificación del Teorema del Área del Agujero Negro de Stephen Hawking.
El 14 de septiembre de 2015, llegó una señal a la Tierra, con información sobre un par de agujeros negros remotos que se habían unido en espiral y se habían fusionado. La señal había viajado unos 1.300 millones de años para llegar a nosotros a la velocidad de la luz, pero no estaba hecha de luz. Era un tipo diferente de señal: un temblor del espacio-tiempo llamado ondas gravitacionales, predicho por primera vez por Albert Einstein 100 años antes.
Ese día, hace 10 años, los detectores gemelos del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) realizaron la primera detección directa de ondas gravitacionales. Las colaboraciones LIGO y Virgo lo anunciaron al mundo en febrero de 2016, después de seis meses de análisis y verificación.
El descubrimiento histórico significó que los investigadores ahora podían sentir el universo a través de tres medios diferentes. Las ondas de luz, como los rayos X, la óptica, la radio y otras longitudes de onda de luz, así como las partículas de alta energía llamadas rayos cósmicos y neutrinos, se habían capturado antes, pero esta fue la primera vez que los investigadores presenciaron un evento cósmico a través de su deformación gravitacional del espacio-tiempo. Por este logro, soñado por primera vez más de 40 años antes, tres delos fundadores de LIGO ganaron el Premio Nobel de Física 2017 : Rainer Weiss, profesor emérito de física del MIT (quien falleció recientemente a los 92 años); Barry Barish de Caltech; y Kip Thorne de Caltech.
LIGO, que consta de detectores tanto en Hanford, Washington como en Livingston, Louisiana, el detector Virgo en Italia y KAGRA en Japón operan en coordinación y actualmente observan rutinariamente aproximadamente una fusión de agujeros negros cada tres días. Together, la red de caza de ondas gravitacionales, conocida como LVK (LIGO, Virgo, KAGRA), ha capturado un total de más de 300 fusiones de agujeros negros, la mayoría de las cuales ya están confirmadas, mientras que otras esperan un análisis más detallado. Durante la ejecución científica actual de la red, la cuarta desde la primera ejecución en 2015, LVK ha descubierto alrededor de 230 fusiones de agujeros negros candidatas, más del doble del número detectado en las primeras tres ejecuciones.
El dramático aumento en el número de descubrimientos de LVK en la última década se debe a varias mejoras en sus detectores, algunas de las cuales involucran ingeniería de precisión cuántica de vanguardia. Estos interferómetros de ondas gravitacionales siguen siendo, con mucho, las reglas más precisas para realizar mediciones jamás creadas por humanos. Las distorsiones del espacio-tiempo inducidas por las ondas gravitacionales son increíblemente minúsculas. Para detectarlos, LIGO y Virgo deben detectar cambios en el espacio-tiempo menores de 1/10,000 del ancho de un protón. Eso es 700 billones de veces más pequeño que el ancho de un cabello humano.
La sensibilidad mejorada de los instrumentos se ejemplifica en un descubrimiento reciente de una fusión de agujeros negros conocida como GW250114 (los números denotan la fecha en que la señal de onda gravitacional llegó a la Tierra: 14 de enero de 2025). El evento no fue tan diferente de la primera detección (llamada GW150914): ambos involucran la colisión de agujeros negros a unos 1.300 millones de años luz de distancia con masas entre 30 y 40 veces la de nuestro Sol. Pero gracias a 10 años de avances tecnológicos que reducen el ruido instrumental, la señal GW250114 es dramáticamente más clara.
"Podemos escucharlo alto y claro, y eso nos permite probar las leyes fundamentales de la física", dice Katerina Chatziioannou, miembro del equipo de LIGO, profesora asistente de física de Caltech y académica William H. Hurt, y una de las principales autoras de un nuevo estudio sobre GW250114 publicado en Physical Review Letters.
Al analizar las frecuencias de las ondas gravitacionales emitidas por la fusión, el equipo de LVK pudo proporcionar la mejor evidencia observacional capturada hasta la fecha para lo que se conoce como el teorema del área del agujero negro, una idea presentada por Stephen Hawking en 1971 que dice que las áreas totales de la superficie de los agujeros negros no pueden disminuir. Cuando los agujeros negros se fusionan, sus masas se combinan, aumentando el área de superficie. Pero también pierden energía en forma de ondas gravitacionales durante el fenómeno. Además, la fusión puede hacer que el agujero negro combinado aumente su giro, lo que lleva a que tenga un área más pequeña. El teorema del área del agujero negro establece que, a pesar de estos factores en competencia, el área total de la superficie debe crecer en tamaño.
Más tarde, Hawking y el físico Jacob Bekenstein concluyeron que el área de un agujero negro es proporcional a su entropía o grado de desorden. Los hallazgos allanaron el camino para trabajos innovadores posteriores en el campo de la gravedad cuántica, que intenta unir dos pilares de la física moderna: la relatividad general y la física cuántica.
En esencia, la detección (realizada solo por LIGO, ya que Virgo estaba en mantenimiento de rutina y KAGRA estaba fuera de línea durante esta observación en particular) permitió al equipo "escuchar" dos agujeros negros creciendo a medida que se fusionaban en uno, verificando el teorema de Hawking. Los agujeros negros iniciales tenían una superficie total de 240.000 kilómetros cuadrados (aproximadamente del tamaño del Reino Unido), mientras que el área final era de unos 400.000 kilómetros cuadrados (casi el tamaño de Suecia), un claro aumento. Esta es la segunda prueba del teorema del área del agujero negro; Se realizó una prueba inicial en 2021 utilizando datos de la primera señal de GW150914, pero debido a que esos datos no eran tan limpios, los resultados tuvieron un nivel de confianza del 95 por ciento en comparación con el 99,999 por ciento de los nuevos datos.
Kip Thorne recuerda que Hawking lo llamó para preguntarle si LIGO podría probar su teorema inmediatamente después de enterarse de la detección de ondas gravitacionales de 2015. Hawking murió en 2018 y, lamentablemente, no vivió para ver su teoría verificada observacionalmente. "Si Hawking estuviera vivo, se habría deleitado al ver aumentar el área de los agujeros negros fusionados", dice Thorne.
La parte más complicada de este tipo de análisis tenía que ver con determinar el área superficial final del agujero negro fusionado. Las áreas superficiales de los agujeros negros anteriores a la fusión se pueden obtener más fácilmente a medida que el par gira en espiral, agitando el espacio-tiempo y produciendo ondas gravitacionales. Pero después de que los agujeros negros se fusionan, la señal no es tan clara. Durante esta llamada fase de ringdown, el agujero negro final vibra como una campana golpeada.
En el nuevo estudio, los investigadores pudieron medir con precisión los detalles de la fase de ringdown, lo que les permitió calcular la masa y el giro del agujero negro, y posteriormente determinar su área de superficie. Más precisamente, pudieron, por primera vez, elegir con confianza dos modos distintos de ondas gravitacionales en la fase de ringdown. Los modos son como sonidos característicos que haría una campana cuando se golpea; tienen frecuencias algo similares pero mueren a diferentes velocidades, lo que los hace difíciles de identificar. Los datos mejorados para GW250114 significaron que el equipo pudo extraer los modos, demostrando que el ringdown del agujero negro ocurrió exactamente como lo predijeron los modelos matemáticos.
Otro estudio del LVK, presentado hoy a Physical Review Letters, establece límites en un tercer tono de tono más alto predicho en la señal de GW250114, y realiza algunas de las pruebas más estrictas hasta ahora de la precisión de la relatividad general en la descripción de los agujeros negros que se fusionan.
"Analizar los datos de deformación de los detectores para detectar señales astrofísicas transitorias, enviar alertas para activar observaciones de seguimiento desde telescopios o publicar resultados físicos que recopilen información de hasta cientos de eventos es un viaje bastante largo - agrega Nicolas Arnaud, investigador del CNRS en Francia y coordinador de Virgo de la cuarta carrera científica - De los muchos pasos hábiles que requiere un marco tan complejo, Veo a los humanos detrás de todos estos datos, en particular a los que están de servicio en cualquier momento, vigilando nuestros instrumentos. Hay científicos de LVK en todas las regiones, que persiguen un objetivo común: literalmente, ¡el Sol nunca se pone por encima de nuestras colaboraciones!"
LIGO y Virgo también han presentado estrellas noutronas durante la última década. Al igual que los agujeros negros, las estrellas de neutrones forman las muertes explosivas de las estrellas masivas, pero pesan menos y brillan con luz. Cabe destacar que, en agosto de 2017, LIGO y Virgo fueron testigos de una colisión épica entre un par de estrellas de neutrones , una kilonova, que envió oro y otros elementos pesados al espacio y atrajo la mirada de docenas de telescopios en todo el mundo, que capturaron luz que va desde rayos gamma de alta energía hasta ondas de radio de baja energía.
El evento astronómico de "múltiples mensajeros" marcó la primera vez que tanto la luz como las ondas gravitacionales habían sido capturadas en un solo evento cósmico. Hoy en día, el LVK continúa alertando a la comunidad astronómica sobre posibles colisiones de estrellas de neutrones, que luego usan telescopios para buscar signos de otra kilonova.
"La red global LVK es esencial para la astronomía de ondas gravitacionales", dice Gianluca Gemme, portavoz de Virgo y director de investigación del INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). "Con tres o más detectores operando al unísono, podemos identificar eventos cósmicos con mayor precisión, extraer información astrofísica más rica y permitir alertas rápidas para el seguimiento de múltiples mensajeros. Virgo se enorgullece de contribuir a este esfuerzo científico mundial".
Otros descubrimientos científicos de LVK incluyen la primera detección de colisiones entre una estrella de neutrones y un agujero negro; fusiones asimétricas, en las que un agujero negro es significativamente más masivo que su estrella de neutrones compañera; el descubrimiento de los agujeros negros más ligeros conocidos, desafiando la idea de que existe una "brecha de masa" entre las estrellas de neutrones y los agujeros negros; y la fusión de agujeros negros más masiva vista hasta ahora con una masa fusionada de 225 masas solares. Como referencia, el poseedor del récord anterior de la fusión más masiva tenía una masa combinada de 140 masas solares.
En los próximos años, los científicos de LVK esperan afinar aún más sus máquinas, expandiendo su alcance cada vez más profundamente en el espacio. También planean utilizar el conocimiento que han adquirido para construir otro detector de ondas gravitacionales, LIGO India . Mirando más hacia el futuro, los científicos están trabajando en un concepto para detectores aún más grandes.
El proyecto europeo, llamado Telescopio Einstein, planea construir uno o dos enormes interferómetros subterráneos con brazos de más de 10 kilómetros, el estadounidense, llamado Cosmic Explorer , sería similar al actual LIGO pero con brazos de 40 kilómetros de largo. Los observatorios a esta escala permitirían a los científicos escuchar las primeras fusiones de agujeros negros en el universo y, posiblemente, el eco de las sacudidas gravitacionales de los primeros momentos de nuestro universo.
"Este es un momento increíble para la investigación de ondas gravitacionales: gracias a instrumentos como Virgo, LIGO y KAGRA, podemos explorar un universo oscuro que antes era completamente inaccesible. - dijo Massimo Carpinelli, profesor de la Universidad de Milán Bicocca y director del Observatorio Gravitacional Europeo en Cascina - Los logros científicos de estos 10 años están desencadenando una verdadera revolución en nuestra visión del Universo. Ya estamos preparando una nueva generación de detectores como el Telescopio Einstein en Europa y el Cosmic Explorer en EEUU, así como el interferómetro espacial LISA, que nos llevará aún más lejos en el espacio y retroceder en el tiempo. En los próximos años, sin duda, podremos abordar estos desafíos extraordinarios gracias a una cooperación cada vez más amplia y sólida entre científicos, diferentes países e instituciones, tanto a nivel europeo como mundial".
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