Una década después del momento histórico en que los científicos detectaron directamente por primera vez las ondas gravitacionales, confirmando así una predicción centenaria de Albert Einstein, la comunidad astrofísica celebra otro logro extraordinario. Analizando la señal resultante de la colisión de dos agujeros negros masivos, un equipo internacional de investigadores, incluyendo expertos de la Universidad Northwestern, ha proporcionado la prueba más sólida hasta la fecha del teorema del área de los agujeros negros, formulado en 1971 por el legendario Stephen Hawking. Este avance no solo celebra el décimo aniversario de una nueva era en la astronomía, sino que también profundiza nuestra comprensión de uno de los objetos más enigmáticos del universo.

La señal, registrada bajo la designación GW250114, se considera la señal de fusión de agujeros negros más limpia y clara jamás registrada por la red de detectores LVK, que incluye el LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser) estadounidense, el Virgo europeo y el KAGRA japonés. Fue precisamente esta excepcional claridad de la señal la que permitió a los científicos poner a prueba el postulado de Hawking con una precisión increíble.

Confirmación del legado de Hawking

El teorema del área de los agujeros negros de Stephen Hawking es, en su esencia, asombrosamente simple, pero con implicaciones profundas. Afirma que el área total del horizonte de sucesos de los agujeros negros en un sistema cerrado nunca puede disminuir. En otras palabras, cuando dos agujeros negros chocan y se fusionan, el área del agujero negro recién formado y más grande debe ser igual o mayor que la suma de las áreas de los dos agujeros negros originales. Esta ley recuerda increíblemente a la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía total (una medida del desorden) en un sistema aislado siempre aumenta o permanece igual.

Fue precisamente esta analogía la que llevó a Hawking y a otros físicos a reflexionar sobre la profunda conexión entre la gravedad, la termodinámica y la mecánica cuántica. Durante mucho tiempo se consideró que este teorema era imposible de verificar experimentalmente. Sin embargo, con la llegada de la astronomía de ondas gravitacionales, lo que antes era dominio de la física teórica ahora se ha convertido en una realidad medible.

Durante la fusión de agujeros negros se desarrolla un complejo drama cósmico. Las masas se suman, lo que conduce naturalmente a un aumento del área. Al mismo tiempo, el sistema pierde una enorme cantidad de energía en forma de ondas gravitacionales, y el agujero negro recién formado puede comenzar a girar mucho más rápido, lo que, según las ecuaciones de la relatividad general, puede provocar una disminución de su área. Hawking demostró matemáticamente que, a pesar de estos efectos contrapuestos, el resultado final siempre debe ser un aumento del área total. La detección de GW250114 permitió a los científicos "escuchar" y medir este proceso por primera vez, proporcionando una confirmación empírica e inequívoca del teorema de Hawking.

El análisis de los datos mostró que los agujeros negros iniciales tenían un área total del horizonte de sucesos de unos 240.000 kilómetros cuadrados, que es aproximadamente la superficie del estado estadounidense de Oregón. Después de su danza cósmica y su fusión final, el agujero negro recién formado tenía un área impresionante de 400.000 kilómetros cuadrados, lo que corresponde a la superficie de California. El aumento fue claro y medible, en perfecta concordancia con las predicciones.

La década que cambió la astronomía

Antes del 14 de septiembre de 2015, todo nuestro conocimiento del universo se basaba en la observación de la radiación electromagnética, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. En ese día histórico, los detectores de LIGO registraron la primera señal, ondas en el propio tejido del espacio-tiempo, que habían viajado 1.300 millones de años para llegar a la Tierra. La señal llevaba la historia de la colisión de dos agujeros negros, un evento que hasta entonces era solo una posibilidad teórica. Fue el comienzo de una revolución.

Desde ese primer descubrimiento, la colaboración LVK ha registrado cientos de eventos, proporcionando unas 300 mediciones de masas de objetos compactos. Cada nueva observación trajo nuevos conocimientos:

• La primera fusión de estrellas de neutrones: Un evento que, a diferencia de las fusiones de agujeros negros, también fue visible en el espectro electromagnético, abriendo una ventana a la astronomía de mensajeros múltiples y confirmando que tales colisiones son la fuente de muchos elementos pesados en el universo, como el oro y el platino.


• Fusiones de un agujero negro y una estrella de neutrones: La confirmación de la existencia de estos sistemas binarios "mixtos".


• Fusiones asimétricas: Colisiones en las que un agujero negro es considerablemente más masivo que el otro, lo que plantea desafíos a los modelos teóricos de formación de sistemas binarios.


• Llenando el "vacío de masa": El descubrimiento de objetos con masas entre las estrellas de neutrones más pesadas conocidas (alrededor de 2,5 masas solares) y los agujeros negros más ligeros conocidos (alrededor de 5 masas solares). La existencia de estos objetos pone en duda la idea de un límite claro entre estos dos tipos de cuerpos cósmicos.


• Una fusión masiva récord: La detección de una fusión que resultó en un agujero negro con una masa 225 veces mayor que la del Sol, lo que proporcionó las primeras pruebas de la existencia de agujeros negros de masa intermedia.

Los investigadores de la Universidad Northwestern y su Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA), liderados por la profesora Vicky Kalogera, han desempeñado un papel clave en muchos de estos hitos. Su trabajo en el análisis de datos y la interpretación astrofísica ha sido inestimable para comprender la física que subyace a estos eventos cósmicos extremos.

Tecnología en el límite de lo posible

El ritmo acelerado de los descubrimientos ha sido posible gracias a las continuas mejoras en la sensibilidad de los detectores de la red LVK. Se trata de maravillas de la ingeniería de precisión que utilizan las tecnologías cuánticas más avanzadas. Las ondas gravitacionales, al pasar por el detector, distorsionan el espacio-tiempo en cantidades infinitesimalmente pequeñas, a veces menos de una diezmilésima parte del ancho de un protón. Eso es aproximadamente 700 billones de veces más pequeño que el grosor de un cabello humano. Detectar cambios tan sutiles requiere una tecnología que pueda eliminar casi todas las fuentes de ruido imaginables, desde temblores sísmicos hasta fluctuaciones térmicas en los propios espejos del interferómetro.

Fueron precisamente estos avances tecnológicos los que permitieron que la señal GW250114 fuera tan clara. Diez años de perfeccionamiento de los instrumentos han convertido lo que en 2015 era un "chirrido" apenas perceptible en un sonido claro que contiene una gran cantidad de información sobre las propiedades de los agujeros negros antes, durante y después de la fusión.

Una mirada al futuro de la astronomía de ondas gravitacionales

La comunidad científica no descansa. Los planes para el futuro son aún más ambiciosos. Está en marcha la construcción de un tercer observatorio LIGO, LIGO India, que mejorará significativamente la capacidad de la red para localizar con precisión las fuentes de ondas gravitacionales en el cielo. Una localización más precisa es crucial para dirigir rápidamente los telescopios ópticos y de otro tipo hacia la fuente, lo cual es de vital importancia para la astronomía de mensajeros múltiples.

Mirando aún más lejos en el futuro, se están desarrollando conceptos para detectores de próxima generación. El proyecto Cosmic Explorer en los EE. UU. prevé la construcción de detectores con brazos de 40 kilómetros de largo (en comparación con los 4 kilómetros de los detectores LIGO actuales). En Europa, el proyecto Einstein Telescope planea la construcción de un enorme interferómetro subterráneo con brazos de más de 10 kilómetros de longitud. Los observatorios de esta escala serán tan sensibles que podrán "escuchar" las fusiones de agujeros negros hasta los mismos comienzos del universo, proporcionándonos una visión de la formación de las primeras estrellas y galaxias.

Una década de astronomía de ondas gravitacionales ha transformado nuestra comprensión del universo. La confirmación del teorema de Hawking no es solo la culminación de esa década, sino también un indicador de que nos encontramos solo al principio del viaje para explorar los secretos más profundos de la gravedad y el cosmos. Cada nueva señal que los detectores registran abre un nuevo capítulo en la historia del universo.