En 2017, una onda gravitacional resonó en la Tierra como el tono claro de una campana. Estiró y aplastó a cada persona, hormiga e instrumento científico del planeta a medida que pasaba por nuestra región del espacio. Ahora, los investigadores han regresado y estudiaron esa onda, y encontraron datos ocultos en ella, datos que ayudan a confirmar una idea astrofísica de hace décadas.
Esa ola de 2017 fue un gran problema: por primera vez, los astrónomos tenían una herramienta que podía detectarla y registrarla a medida que pasaba, conocida como Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO). Descubrieron que esa primera ola fue el resultado de dos agujeros negros que se estrellaron muy lejos en el espacio. Y ahora, un equipo de astrofísicos ha echado otro vistazo a la grabación y encontró algo que otros creían que llevaría décadas descubrir: la confirmación precisa del "teorema del no cabello". Este aspecto esencial de la teoría del agujero negro se remonta al menos a la década de 1970, un teorema que Stephen Hawking dudaba.
Cuando los físicos dicen que los agujeros negros no tienen "pelo", dijo Maximiliano Isi, físico del MIT y autor principal del artículo, quieren decir que los objetos astrofísicos son muy simples. Los agujeros negros solo difieren entre sí de tres maneras: velocidad de giro, masa y carga eléctrica. Y en el mundo real, los agujeros negros probablemente no difieren mucho en la carga eléctrica, por lo que realmente solo difieren en términos de masa y giro. Los físicos llaman a estos objetos calvos "agujeros negros de Kerr".
Esa falta de pelo hace que los agujeros negros sean muy diferentes de casi cualquier otro objeto en el universo, dijo Isi a Live Science. Cuando suena una campana real, por ejemplo, emite ondas de sonido y algunas ondas gravitacionales increíblemente débiles indetectables. Pero es un objeto mucho más complicado. Una campana está hecha de un material, por ejemplo (bronce quizás o hierro fundido), mientras que según el modelo sin pelo, los agujeros negros son singularidades uniformes. Cada campana también tiene una forma algo única, mientras que los agujeros negros son puntos infinitesimales y sin dimensiones en el espacio rodeados de horizontes de eventos esféricos. Todas esas características de una campana se pueden detectar en el sonido que hace una campana, al menos si sabes algo sobre campanas y ondas de sonido. Si de alguna manera pudieras sentir las ondas gravitacionales de una campana, también detectarías esas diferencias en la composición y forma de la campana, dijo Isi.
"El secreto de todo este negocio es que la forma de onda, el patrón de este estiramiento y compresión, codifica información sobre la fuente, lo que hizo que esta onda gravitacional", dijo a Live Science.
Y los astrónomos que estudiaron la ola de 2017 aprendieron mucho sobre la colisión del agujero negro que la generó, dijo Isi.
Pero la grabación fue débil y no muy detallada. LIGO, el mejor detector de ondas gravitacionales del mundo, utilizó un láser para medir las distancias entre los espejos dispuestos a 2.5 millas (4 kilómetros) de distancia en un patrón L en el estado de Washington. (Virgo, un detector similar, también recogió la ola en Italia.) Cuando la ola rodó sobre LIGO, se deformó el espacio-tiempo y cambió muy ligeramente esa distancia. Pero los detalles de esa onda gravitacional no fueron lo suficientemente intensos como para que los detectores los registraran, dijo Isi.
"Pero es como si estuviéramos escuchando desde muy lejos", dijo Isi.
En ese momento, esa ola ofreció mucha información. El agujero negro se comportó como se esperaba. No hubo evidencia obvia de que careciera de un horizonte de sucesos (la región más allá de la cual no puede escapar la luz) y no se desvió drásticamente del teorema del no cabello, dijo Isi.
Pero los investigadores no podían estar muy seguros de muchos de esos puntos, en particular el teorema del no cabello. La parte más simple de la forma de onda para estudiar, dijo Isi, vino después de que los dos agujeros negros se fusionaron en un agujero negro más grande. Siguió sonando durante un tiempo, muy parecido a una campana golpeada, enviando su exceso de energía al espacio como ondas gravitacionales, lo que los astrofísicos llaman el proceso de "llamada".
En ese momento, los investigadores que observaron los datos de LIGO detectaron solo una forma de onda en el ringdown. Los investigadores pensaron que llevaría décadas desarrollar instrumentos lo suficientemente sensibles como para detectar cualquier sobretono más silencioso en el ringdown. Pero uno de los colegas de Isi, Matt Giesler, físico del Instituto de Tecnología de California, descubrió que hubo un breve período justo después de la colisión en el que la respuesta fue tan intensa que LIGO registró más detalles de lo habitual. Y en esos momentos la ola era lo suficientemente fuerte como para que LIGO captara un sobretono: una segunda ola con una frecuencia diferente, muy parecida a las débiles notas secundarias que se transmiten con el sonido de una campana golpeada.
En los instrumentos musicales, los armónicos transmiten la mayor parte de la información que les da a los instrumentos sus sonidos distintivos. Lo mismo es cierto de los armónicos de una onda gravitacional, dijo. Y este sobretono recién descubierto aclaró mucho los datos sobre el agujero negro que está sonando, dijo Isi.
Decía, dijo, que el agujero negro estaba al menos muy cerca de un agujero negro de Kerr. El teorema del no cabello puede usarse para predecir cómo se verá el sobretono; Isi y su equipo demostraron que el sobretono coincidía con esa predicción. Sin embargo, la grabación del sobretono no fue muy clara, por lo que aún es posible que el tono fuera algo diferente, en aproximadamente un 10%, de lo que el teorema predeciría ...
Para ir más allá de ese nivel de precisión, dijo, necesitaría extraer un sobretono más claro de la forma de onda de una colisión de un agujero negro, o construir un instrumento más sensible que LIGO, dijo Isi.
"La física se trata de acercarse cada vez más", dijo Isi. "Pero nunca puedes estar seguro".
Incluso es posible que la señal del sobretono no sea real, sino que se produjo por casualidad debido a fluctuaciones aleatorias de los datos. Informaron una "confianza de 3.6σ" en la existencia del sobretono. Eso significa que hay una probabilidad de 1 en 6,300 de que el sobretono no sea una señal verdadera del agujero negro.
A medida que los instrumentos mejoran y se detectan más ondas gravitacionales, todos estos números deberían ser más seguros y precisos, dijo Isi. LIGO ya ha pasado por actualizaciones que han hecho que la detección de colisiones de agujeros negros sea bastante rutinaria. Otra actualización, prevista para mediados de 2020, debería aumentar su sensibilidad diez veces, según Physics World. Una vez que la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) basada en el espacio se lance a mediados de la década de 2030, los astrónomos deberían poder confirmar la ausencia de pelo de los agujeros negros en grados de certeza imposibles hoy en día.
Sin embargo, dijo Isi, siempre es posible que los agujeros negros no sean completamente calvos; pueden tener algo de pelusa de durazno cuántico que es demasiado suave y corto para que nuestros instrumentos lo recojan.
