Si la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein es cierta, un agujero negro nacido de la colisión de dos agujeros negros masivos, debería “sonar” en el momento de la conflagración, produciendo ondas gravitacionales muy parecidas a las ondas que surgen cuando golpeamos una campana. Einstein predijo que el tono y la desintegración de estas ondas gravitacionales debería ser una firma directa de la masa y el espín (giro) del nuevo agujero negro.
Ahora, físicos del MIT, en colaboración con otros, han “escuchado” el sonido de un agujero negro en su infancia por primera vez, y hallado que el patrón de este sonido, de hecho, predice la masa y el espín del agujero negro. Más evidencias de que Einstein acertó de pleno.
Los hallazgos, publicados hoy en la revista Physical Review Letters, también apoya la idea de que los agujeros negros no tienen “pelo”. Esta es una metáfora que se refiere a la idea de que los agujeros negros, según la teoría de Einstein, debería exhibir sólo tres propiedades observables: masa, espín y carga eléctrica. Todas las demás características, que el físico John Wheeler denominó “pelo”, deberían ser tragadas por el agujero negro, y no deberían ser observables.
Los hallazgos apoyan la idea de que los agujeros negros no tienen este “pelo” metafórico. Los investigadores fueron capaces de identificar el patrón del sonido del agujero negro, y utilizando las ecuaciones de Einstein, calcularon la masa y el espín que debería tener el agujero negro, dado su patrón de sonido. Estos cálculos coincidieron con las mediciones de la masa y el espín hechas anteriormente por otros científicos.
Si los cálculos del equipo se hubieran desviado significativamente de esas mediciones, habría significado que el sonido del agujero negro codifica otras propiedades aparte de la masa, el espín y la carga eléctrica, evidenciando una física más allá de lo que la teoría de Einstein pudiera explicar. Pero no ha sido así.
«Todos esperamos que la Teoría General de la Relatividad sea correcta, pero esta es la primera vez que la hemos confirmado de esta manera”, comenta el autor principal, Maximiliano Isi, del MIT. «Esta es la primera medida experimental que tiene éxito en probar directamente el teorema de la ausencia de ’pelo’. Eso no significa que los agujeros negros no pudieran tener ese ‘pelo’. Significa que esa imagen del agujero negro sin ‘pelo’ dura un día más, hasta que lleguen pruebas que contradigan esto”.
El 9 de septiembre de 2015 los científicos hicieron la primera detección de ondas gravitacionales: ondas infinitesimales en el espacio-tiempo, que emanan de fenómenos cósmicos lejanos y violentos. La detección, denominada GW150914, fue realizada por LIGO, el observatorio de ondas gravitacionales de interferómetro láser. Una vez que los científicos eliminaron el ruido y ampliaron la señal, observaron una forma de onda que creció rápidamente antes de desaparecer. Cuando tradujeron la señal al sonido, oyeron algo parecido a un «chirrido».
Los científicos determinaron que las ondas gravitacionales se activaron por el rápido giro de los agujeros negros masivos, antes de colisionar. El pico de la señal -la parte más alta del chirrido- se relacionaba con el primer momento tras la colisión de los agujeros negros, el instante en el que se transforman en uno solo, más grande. Si bien este agujero negro probablemente ocasionó ondas gravitacionales por sí mismo, su propio sonido de firma, los físicos asumen que debería ser muy tenue, en comparación con el clamor originado por la colisión inicial.
Isi y sus compañeros, sin embargo, hallaron una forma de extraer la reverberación del agujero negro, de los momentos inmediatamente posteriores al pico de la señal. En un trabajo anterior dirigido por el coautor Matthew Giesler, el equipo demostró a través de simulaciones que tal señal, y particularmente la porción justo después del pico, contiene «sobretonos», una familia de tonos fuertes y de corta duración. Cuando volvieron a analizar la señal, teniendo en cuenta los armónicos, los investigadores descubrieron que podían aislar con éxito un patrón de timbre que era específico de un agujero negro recién formado.
En este nuevo artículo, los investigadores aplicaron esta técnica a los datos actuales de la detección GW150914, concentrándose en los últimos pocos milisegundos de la señal, los que siguen inmediatamente al pico del chirrido. Teniendo en cuenta los matices de la señal, pudieron apreciar un sonido proveniente del nuevo agujero negro en su infancia. Específicamente, identificaron dos tonos distintos, cada uno con un tono y una tasa de decaimiento que pudieron medir.
«Detectamos una señal de onda gravitacional general que está compuesta de múltiples frecuencias, que se desvanecen a diferentes velocidades, como los diferentes tonos que forman un sonido«, afirma Isi. «Cada frecuencia o tono corresponde a una frecuencia vibratoria del nuevo agujero negro«.
En el futuro podremos distinguir por el sonido un agujero negro de agujeros de gusano o estrellas de bosones
La Teoría de la Relatividad General de Einstein predice que el tono y la descomposición de las ondas gravitacionales de un agujero negro deberían ser un producto directo de su masa y espín. Es decir, un agujero negro de una masa y espín determinados solo pueden producir tonos de cierto tono y decadencia. Como prueba de la teoría de Einstein, el equipo utilizó las ecuaciones de la relatividad general para calcular la masa y el espín del agujero negro recién formado, dado el tono y la descomposición de los dos tonos que detectaron.
Hallaron que sus cálculos coincidían con las mediciones de la masa y el espín del agujero negro previamente realizados por otros. Isi dice que los resultados demuestran que los investigadores pueden, de hecho, usar las partes más fuertes y detectables de una señal de onda gravitacional para discernir el sonido de un nuevo agujero negro, donde antes los científicos asumían que este sonido solo podía detectarse dentro del extremo más débil de la señal de onda gravitacional, y sólo con instrumentos mucho más sensibles que los que existen actualmente.
«Esto es emocionante para la comunidad porque muestra que este tipo de estudios son posibles ahora, no en 20 años«, se maravilla Isi.
«En el futuro, tendremos mejores detectores en la Tierra y en el espacio, y podremos ver no sólo dos, sino decenas de modos, y precisar sus propiedades con precisión«, continúa Isi. «Si estos no son agujeros negros como predice Einstein, si son objetos más exóticos como agujeros de gusano o estrellas de bosones, es posible que no suenen de la misma manera, y tendremos la oportunidad de verlos«.
Fuente: Cornell University.
