Hace diez años, los científicos oyeron el rugido del universo por primera vez. Ese primer descubrimiento de las ondas gravitacionales confirmó una predicción clave de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein e inició una nueva era en la astronomía.
Ahora, un nuevo descubrimiento de ondas gravitacionales marca el aniversario de este gran avance. Publicado hoy en Physical Review Letters, pone a prueba una teoría de otro gigante de la ciencia, Stephen Hawking.
¿Qué son las ondas gravitacionales?
Las ondas gravitacionales son “ondulaciones” en el tejido del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. Son causadas por objetos masivos altamente acelerados, como la colisión de agujeros negros o la fusión de restos estelares masivos, conocidos como estrellas de neutrones. Estas ondas que se propagan a través del universo fueron observadas directamente por primera vez el 14 de septiembre de 2015 por los detectores gemelos del Observatorio de ondas gravitacionales con interferometría láser (LIGO) en Estados Unidos. Esa primera señal, llamada GW150914, se originó a partir de la colisión de dos agujeros negros, cada uno con más de 30 veces la masa del Sol y a más de mil millones de años luz de la Tierra.
Esta fue la primera prueba directa de las ondas gravitacionales, tal como lo predijo la teoría de la relatividad de Einstein 100 años antes. El descubrimiento condujo a la concesión del Premio Nobel de Física 2017 a Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne por su trabajo pionero en la colaboración LIGO.
Cientos de señales en menos de una década
Desde 2015, LIGO ha observado más de 300 ondas gravitacionales, junto con los detectores italiano Virgo y japonés KAGRA. Hace apenas unas semanas, la colaboración internacional LIGO/Virgo/KAGRA publicó los últimos resultados de su cuarto ciclo de observación, más del doble del número de ondas gravitacionales conocidas.
Ahora, diez años después del primer descubrimiento, una colaboración internacional que incluye a científicos australianos del Centro de Excelencia para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales del Consejo de Investigación Australiano (OzGrav), ha anunciado una nueva señal de ondas gravitacionales, GW250114. La señal es casi una copia exacta de aquella primera señal de onda gravitacional, GW150914.
La colisión de agujeros negros responsable de GW250114 tenía propiedades físicas muy similares a las de GW150914. Sin embargo, gracias a las importantes mejoras realizadas en los detectores de ondas gravitacionales durante los últimos diez años, la nueva señal se observa con mucha más claridad (casi cuatro veces más potente que la de GW150914). Es emocionante que nos haya permitido poner a prueba las ideas de otro físico innovador.
Hawking también tenía razón
Hace más de 50 años, los físicos Stephen Hawking y Jacob Bekenstein formularon independientemente un conjunto de leyes que describen los agujeros negros. La segunda ley de Hawking sobre la mecánica de los agujeros negros, también conocida como teorema del área de Hawking, establece que el área del horizonte de sucesos de un agujero negro siempre debe aumentar. En otras palabras, los agujeros negros no pueden contraerse.
Mientras tanto, Bekenstein demostró que el área de un agujero negro está directamente relacionada con su entropía, una medida científica del desorden. La segunda ley de la termodinámica nos dice que la entropía siempre debe aumentar: el universo se está volviendo cada vez más desordenado. Dado que la entropía de un agujero negro también debe aumentar con el tiempo, nos dice que su área también debe aumentar.
¿Cómo podemos comprobar estas ideas? Resulta que la colisión de agujeros negros es la herramienta perfecta.
La precisión de esta reciente medición permitió a los científicos realizar la prueba más precisa del teorema del área de Hawking hasta la fecha. Pruebas anteriores utilizando la primera detección, GW150914, mostraron que la señal estaba en buen acuerdo con la ley de Hawking, pero no pudieron confirmarlo de manera concluyente.
Los agujeros negros son objetos sorprendentemente simples. El área del horizonte de un agujero negro depende de su masa y espín, los únicos parámetros necesarios para describir un agujero negro astrofísico. A su vez, las masas y los espines determinan la apariencia de la onda gravitacional.
Al medir por separado las masas y los giros del par de agujeros negros entrantes, y compararlos con la masa y el giro del agujero negro final que quedó después de la colisión, los científicos pudieron comparar las áreas de los dos agujeros negros individuales en colisión con el área del agujero negro final. Los datos muestran un excelente acuerdo con la predicción teórica de que el área debería aumentar, confirmando sin lugar a dudas la ley de Hawking.
¿Qué gigante de la ciencia pondremos a prueba próximamente? Las futuras observaciones de ondas gravitacionales nos permitirán comprobar teorías científicas más complejas, y quizá incluso investigar la naturaleza de los componentes faltantes del universo: la materia oscura y la energía oscura.
Fuente: The Conversation.
