Colisiones de agujeros negros desafían la relatividad de Einstein en nuevos hallazgos

Dos colosales colisiones de agujeros negros, detectadas a solo un mes de diferencia a finales de 2024, están transformando la comprensión de los eventos cósmicos más extremos del universo. Estas fusiones no solo brindaron nuevas perspectivas sobre cómo se forman y evolucionan los agujeros negros, sino que también confirmaron, con una precisión sin igual, las predicciones de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. Además, los hallazgos podrían ayudar a los investigadores a descubrir nuevas partículas aún no identificadas que podrían extraer energía de los agujeros negros.

En un estudio publicado el 28 de octubre en The Astrophysical Journal Letters, la colaboración internacional LIGO-Virgo-KAGRA anunció la detección de dos señales de ondas gravitacionales extraordinarias provenientes de agujeros negros con patrones de giro inusuales, registrados en octubre y noviembre del año anterior.

Ondas gravitacionales revelan colisiones cósmicas

Las ondas gravitacionales son pequeñas perturbaciones en el espacio-tiempo que ocurren cuando objetos celestes masivos chocan o se fusionan. Las señales más fuertes provienen de la colisión de agujeros negros. El primer evento, denominado GW241011 (11 de octubre de 2024), ocurrió a unos 700 millones de años luz de la Tierra, cuando dos agujeros negros, de aproximadamente 20 y 6 veces la masa del sol, se fusionaron. El más grande fue identificado como uno de los agujeros negros de mayor rotación jamás observados.

Un mes después, se detectó un segundo evento, GW241110 (10 de noviembre de 2024), a unos 2.4 mil millones de años luz de distancia. Esta fusión involucró agujeros negros que pesaban aproximadamente 17 y 8 masas solares. A diferencia de la mayoría de los agujeros negros que giran en la misma dirección que su órbita, el agujero negro principal en GW241110 giró en la dirección opuesta, marcando la primera observación de tal configuración.

"Cada nueva detección proporciona información importante sobre el universo, recordándonos que cada fusión observada es tanto un descubrimiento astrofísico como un laboratorio invaluable para investigar las leyes fundamentales de la física", afirmó Carl-Johan Haster, profesor asistente de astrofísica en la Universidad de Nevada, Las Vegas (UNLV). "Las binarias como estas habían sido predichas en observaciones anteriores, pero esta es la primera evidencia directa de su existencia."

Revelando las vidas secretas de los agujeros negros en fusión

Einstein predijo por primera vez la existencia de ondas gravitacionales en 1916 como parte de su teoría general de la relatividad. Su existencia fue confirmada indirectamente en la década de 1970, pero los científicos no las observaron directamente hasta 2015, cuando el observatorio LIGO detectó ondas creadas por una fusión de agujeros negros.

Hoy, la red LIGO-Virgo-KAGRA opera como un sistema global de detectores avanzados. El equipo se encuentra actualmente en su cuarta campaña de observación, conocida como O4, que comenzó en mayo de 2023 y continuará hasta mediados de noviembre de 2025. Hasta la fecha, se han detectado alrededor de 300 fusiones de agujeros negros, incluidos candidatos encontrados durante esta corrida en curso.

La reciente detección de GW241011 y GW241110 demuestra cuánto ha avanzado la astronomía de ondas gravitacionales en la revelación de los mecanismos internos de los sistemas de agujeros negros. Ambos eventos sugieren que algunos de estos agujeros negros podrían ser de "segunda generación", formados a partir de los restos de fusiones anteriores.

"GW241011 y GW241110 son algunos de los eventos más novedosos entre los varios cientos que ha observado la red LIGO-Virgo-KAGRA", comentó Stephen Fairhurst, profesor en la Universidad de Cardiff y portavoz de la colaboración científica de LIGO. "Con ambos eventos teniendo un agujero negro que es significativamente más masivo que el otro y que gira rápidamente, proporcionan evidencia tentadora de que estos agujeros negros se formaron a partir de fusiones de agujeros negros anteriores."

Los investigadores notaron varios patrones intrigantes, incluyendo grandes diferencias en masa entre los agujeros negros emparejados, siendo el más grande casi el doble de masivo que su compañero, y direcciones de giro inusuales. Estas características sugieren que los agujeros negros se formaron a través de un proceso llamado fusión jerárquica, en el que los agujeros negros en regiones densamente pobladas, como los cúmulos estelares, colisionan múltiples veces a lo largo de sus vidas.

"Estas dos fusiones de agujeros negros binarios nos ofrecen algunas de las perspectivas más emocionantes hasta ahora sobre las vidas anteriores de los agujeros negros", afirmó Thomas Callister, coautor y profesor asistente en Williams College. "Nos enseñan que algunos agujeros negros existen no solo como parejas aisladas, sino probablemente como miembros de una multitud densa y dinámica. En el futuro, la esperanza es que estos eventos y otras observaciones nos enseñen cada vez más sobre los entornos astrofísicos que albergan estas multitudes."

Probando la teoría de Einstein en condiciones extremas

La extraordinaria precisión de la detección de GW241011 brindó a los investigadores la oportunidad de probar la relatividad general de Einstein en uno de los entornos más extremos jamás medidos. Dado que este evento fue capturado con tanta claridad, los científicos pudieron comparar los resultados con las predicciones de las ecuaciones de Einstein y la solución de Roy Kerr que describe agujeros negros en rotación.

La rápida rotación de GW241011 distorsionó ligeramente su forma, dejando una huella única en las ondas gravitacionales. El análisis de los datos mostró una coincidencia excepcional con el modelo de Kerr, confirmando las predicciones de Einstein con una precisión récord.

La diferencia significativa en las masas de los agujeros negros en colisión también produjo un "armónico superior", una especie de sobretono similar a los que se escuchan en instrumentos musicales. Esta rara característica, observada claramente solo por tercera vez, proporciona otra prueba exitosa de la teoría de Einstein.

"La fuerza de GW241011, combinada con las propiedades extremas de sus componentes de agujero negro, proporciona medios sin precedentes para probar nuestra comprensión de los propios agujeros negros", afirmó Haster. "Ahora sabemos que los agujeros negros tienen la forma que Einstein y Kerr predijeron, y la relatividad general puede agregar dos marcas más en su lista de muchos éxitos. Este descubrimiento también significa que somos más sensibles que nunca a cualquier nueva física que pueda estar más allá de la teoría de Einstein."

Buscando pistas sobre nuevas partículas

Los agujeros negros en rápida rotación, como los observados en este estudio, ahora tienen otra aplicación en la física de partículas. Los científicos pueden utilizarlos para probar si existen ciertas partículas elementales ligeras hipotéticas y cuán masivas son.

Estas partículas, llamadas bosones ultraligeros, son predichas por algunas teorías que van más allá del modelo estándar de la física de partículas, que describe y clasifica todas las partículas elementales conocidas. Si existen bosones ultraligeros, pueden extraer energía rotacional de los agujeros negros. Cuánta energía se extrae y cuánto se desacelera la rotación de los agujeros negros con el tiempo depende de la masa de estas partículas, que aún se desconoce.

La observación de que el agujero negro masivo en el sistema binario que emitió GW241011 continúa rotando rápidamente incluso millones o miles de millones de años después de su formación descarta una amplia gama de masas de bosones ultraligeros.

"Las mejoras planificadas en los detectores LIGO, Virgo y KAGRA permitirán más observaciones de sistemas similares, lo que nos permitirá comprender mejor tanto la física fundamental que rige estos binarios de agujeros negros como los mecanismos astrofísicos que conducen a su formación", afirmó Fairhurst.

Joe Giaime, jefe del sitio del observatorio LIGO en Livingston, destacó que los científicos e ingenieros de LIGO han realizado mejoras en los detectores en los últimos años, lo que ha resultado en mediciones precisas de las formas de onda de fusión que permiten el tipo de observaciones sutiles necesarias para GW241011 y GW241110.

"Una mejor sensibilidad no solo permite a LIGO detectar muchos más señales, sino que también permite una comprensión más profunda de las que detectamos", concluyó.