Las ondas gravitacionales resultantes de la fusión de agujeros negros podrían ayudar a probar la relatividad general
Los científicos han descubierto ondas gravitacionales que surgen de un evento de fusión de agujeros negros que sugieren que el agujero negro resultante asumió una forma esférica estable. Estas ondas también revelan que el agujero negro combinado puede ser mucho más grande de lo que se pensaba anteriormente.
Cuando se detectó inicialmente el 21 de mayo de 2019, se creía que el evento de onda gravitacional conocido como GW190521 había surgido de una fusión entre dos agujeros negros, uno con una masa equivalente a poco más de 85 soles y otro con una masa equivalente a unos 66 soles. Los científicos creían que, por lo tanto, la fusión creó un número aproximado de 142 masa solar hija del agujero negro.
Sin embargo, las vibraciones espacio-temporales recientemente estudiadas del agujero negro creado por la fusión, que se propagan hacia afuera a medida que el vacío se resuelve en una forma propiamente esférica, parecen sugerir que es más masivo de lo previsto inicialmente. En lugar de tener 142 masas solares, los cálculos dicen que debería tener una masa igual a unas 250 veces la de el sol.
Estos resultados podrían, en última instancia, ayudar a los científicos a realizar mejores pruebas. relatividad general, Albert Einstein1915 teoría de gravedad, quien introdujo por primera vez el concepto de ondas gravitacionales y agujeros negros. «Realmente estamos explorando una nueva frontera aquí», dijo Steven Giddings, físico teórico de la Universidad de California. dijo en un comunicado.
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Ondas gravitacionales y relatividad general.
La relatividad general predice que los objetos con masa deforman la estructura misma del espacio y el tiempo, unidos como una entidad única de cuatro dimensiones llamada «espacio-tiempo», y esta «gravedad», tal como la percibimos, surge de la curvatura misma.
Así como una bola de bolos colocada sobre una lámina de goma estirada causa una «abolladura» más extrema que una pelota de tenis, un agujero negro causa más curvatura en el espacio-tiempo que una estrella, y una estrella causa más curvatura que un planeta. De hecho, un agujero negro, en la relatividad general, es un punto de materia tan denso que provoca una curvatura del espacio-tiempo tan extrema que, en un límite llamado Horizonte de eventosni siquiera la luz es lo suficientemente rápida como para escapar de la depresión interior.
Sin embargo, ésta no es la única predicción revolucionaria de la relatividad general. Einstein también predijo que cuando los objetos se aceleran, deberían hacer que el tejido mismo del espacio-tiempo vibre con ondas llamadas ondas gravitacionales. Y nuevamente, cuanto más masivos sean los objetos involucrados, más extremo será el fenómeno. Esto significa que cuando los cuerpos densos, como los agujeros negros, giran unos alrededor de otros, acelerándose constantemente debido a su movimiento circular, el espacio-tiempo gira a su alrededor como una campana, vibrando con ondas gravitacionales.
Estas ondas en el espacio-tiempo despojan a los agujeros negros en espiral de su momento angular, lo que a su vez hace que las órbitas mutuas de los agujeros negros se contraigan, acercándolos y aumentando la frecuencia de las ondas gravitacionales emitidas. Acercándose cada vez más en espiral, los agujeros negros eventualmente se fusionan, creando un agujero negro hijo y enviando un «silbido» de ondas gravitacionales de alta frecuencia que resuena a través del cosmos.
Pero hubo una cosa en la que Einstein se equivocó acerca de las ondas gravitacionales. El gran físico creía que estas ondas en el espacio-tiempo serían tan débiles que nunca serían detectadas aquí en el mundo. Tierra después de viajar el universo a lo largo de millones, o incluso miles de millones, de años luz.
Sin embargo, en septiembre de 2015, los detectores gemelos del Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO), con sede en Washington y Luisiana, demostró que Einstein estaba equivocado. Detectaron GW150914, ondas gravitacionales asociadas a la fusión de agujeros negros ubicados alrededor de 1.300 millones años luz ausente. La señal de la onda gravitacional se detectó como un cambio en la longitud de uno de los brazos láser de 4 kilómetros (2,5 millas) de largo de LIGO, equivalente a una milésima parte del ancho de un protón.
Sorprendentemente, desde entonces, LIGO y sus compañeros detectores de ondas gravitacionales, Virgo en Italia y KAGRA en Japón, han detectado muchos más eventos de este tipo, llegando al punto en que detectan un evento de ondas gravitacionales por semana. Aunque, incluso entre esta cornucopia de detecciones de ondas gravitacionales, destaca GW190521.
Un evento especial de ondas gravitacionales
La frecuencia de fusión de los dos agujeros negros detrás de la señal GW190521, que se encuentran a 8.800 millones de años luz de la Tierra, era tan baja que sólo durante las dos últimas órbitas de los agujeros negros la frecuencia se volvió lo suficientemente alta como para alcanzar los límites de sensibilidad de LIGO y Virgo.
El equipo detrás de esta nueva investigación, que no forma parte de la Colaboración LIGO/Virgo, quería saber qué información sobre la violenta colisión y fusión de estos agujeros negros podría estar encerrada en esta señal.
Descubrieron que en el instante en que los agujeros negros chocaron, el agujero negro resultante se creó con una forma torcida. Los agujeros negros sólo son estables cuando tienen forma esférica, lo que significa que a los milisegundos de fusionarse, el agujero negro hijo tendría que tomar la forma de una esfera.
Así como la forma de una campana determina la frecuencia con la que suena, el equipo dijo que a medida que este nuevo agujero negro cambiaba de forma y se estabilizaba, las frecuencias de las ondas gravitacionales que emitía cambiaban. Estas ondas gravitacionales llamadas «anillo hacia abajo» contenían información sobre la masa del agujero negro hijo y también sobre la velocidad de rotación.
Esto significa que las ondas gravitacionales de tal fusión ofrecen a los científicos una forma alternativa de medir las propiedades de los agujeros negros fusionados, en contraste con el método tradicional de utilizar las ondas gravitacionales creadas durante el proceso de espiral.
El equipo encontró dos frecuencias separadas en la señal de onda gravitacional GW190521, que, consideradas en conjunto, dan al agujero negro creado una masa de 250 masas solares. Esto significa que es considerablemente más masivo de lo que se estima utilizando ondas gravitacionales espirales. La detección de estas ondas gravitacionales fue impactante incluso para el equipo detrás de estos descubrimientos.
«Nunca pensé que vería tal medida en mi vida», dijo Badri Krishnan, coautor de la investigación y físico de la Universidad de Radboud.
La investigación del equipo se detalla en un artículo publicado el 28 de noviembre en la revista Cartas de revisión física.
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