Diez años después, LIGO es una máquina de cazar agujeros negros
Una sinfonía cósmica revelada [Crédito de la imagen: Aurore Simonnet (SSU/EdEon)/LVK/URI]
Fuente LIGO
El 14 de septiembre de 2015, llegó a la Tierra una señal con información sobre un par de agujeros negros remotos que se habían fusionado en espiral. La señal había viajado unos 1.300 millones de años para llegar a nosotros a la velocidad de la luz, pero no estaba compuesta de luz. Era un tipo diferente de señal: una vibración del espacio-tiempo llamada ondas gravitacionales, predicha por primera vez por Albert Einstein 100 años antes. Ese día, hace 10 años, los detectores gemelos del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF LIGO) realizaron la primera detección directa de ondas gravitacionales, susurros en el cosmos que habían pasado desapercibidos hasta ese momento.
Este descubrimiento histórico permitió a los investigadores percibir el universo a través de tres medios diferentes. Si bien ya se habían captado ondas de luz, como rayos X, luz óptica, radio y otras longitudes de onda, así como partículas de alta energía llamadas rayos cósmicos y neutrinos, esta era la primera vez que alguien presenciaba un evento cósmico a través de su deformación gravitacional del espacio-tiempo. Por este logro, concebido hace más de 40 años, tres de los fundadores del equipo ganaron el Premio Nobel de Física 2017: Rainer Weiss, profesor emérito de física del MIT (quien falleció recientemente a los 92 años); Barry Barish, profesor emérito de física Ronald y Maxine Linde de Caltech; y Kip Thorne, profesor emérito de física teórica Richard P. Feynman de Caltech.
Hoy en día, LIGO, que consta de detectores en Hanford, Washington, y Livingston, Luisiana, observa rutinariamente aproximadamente una fusión de agujeros negros cada tres días. LIGO opera en coordinación con dos socios internacionales: el detector de ondas gravitacionales Virgo, en Italia, y KAGRA, en Japón. En conjunto, la red de búsqueda de ondas gravitacionales, conocida como LVK (LIGO, Virgo, KAGRA), ha detectado un total de aproximadamente 300 fusiones de agujeros negros, algunas de las cuales están confirmadas, mientras que otras esperan análisis adicionales. Durante el ciclo de pruebas científicas actual de la red, el cuarto desde el primero en 2015, LVK ha descubierto alrededor de 220 posibles fusiones de agujeros negros, más del doble de la cantidad detectada en los tres primeros ciclos.
«Rai Weiss propuso el concepto de LIGO en 1972, y pensé: ‘Esto no tiene muchas posibilidades de funcionar'», recuerda Thorne, experto en la teoría de los agujeros negros. Me llevó tres años de reflexiones intermitentes y debatir ideas con Rai y Vladimir Braginsky [físico ruso] para convencerme de que tenía una gran probabilidad de éxito. La dificultad técnica para reducir el ruido no deseado que interfiere con la señal deseada era enorme. Tuvimos que inventar una tecnología completamente nueva. La NSF fue excelente al guiar este proyecto a través de revisiones técnicas y obstáculos.
Nergis Mavalvala, profesor de Astrofísica Curtis y Kathleen Marble del MIT y decano de la Facultad de Ciencias, afirma que los desafíos que el equipo superó para lograr el primer descubrimiento siguen muy presentes. «Desde la exquisita precisión de los detectores LIGO, pasando por las teorías astrofísicas de las fuentes de ondas gravitacionales, hasta los complejos análisis de datos, todos estos obstáculos tuvieron que superarse, y seguimos mejorando en todas estas áreas. A medida que los detectores mejoran, ansiamos fuentes más lejanas y tenues. LIGO sigue siendo una maravilla tecnológica».
La señal más clara hasta la fecha
La mayor sensibilidad de LIGO se ejemplifica en el reciente descubrimiento de una fusión de agujeros negros, conocida como GW250114 (los números indican la fecha en que la señal de ondas gravitacionales llegó a la Tierra: 14 de enero de 2025). El evento no fue muy diferente de la primera detección de LIGO (denominada GW150914); ambos involucran la colisión de agujeros negros a unos 1.300 millones de años luz de distancia, con masas entre 30 y 40 veces la de nuestro Sol. Sin embargo, gracias a 10 años de avances tecnológicos que han reducido el ruido instrumental, la señal de GW250114 es mucho más clara.
“Podemos escucharlo alto y claro, y eso nos permite poner a prueba las leyes fundamentales de la física”, dice Katerina Chatziioannou, miembro del equipo LIGO, profesora adjunta de física de Caltech y becaria William H. Hurt, y una de las autoras de un nuevo estudio sobre GW250114 publicado en Physical Review Letters.
Este video compara una señal de onda gravitacional recién detectada llamada GW250114 con la primera señal de onda gravitacional jamás detectada, GW150914, en 2015. Ambas señales provienen de agujeros negros en colisión, cada uno entre 30 y 40 veces la masa del Sol. Las coloridas imágenes ilustran cómo la frecuencia de cada onda gravitacional aumenta con el tiempo a medida que los dos agujeros negros se acercan en espiral, produciendo un patrón que los científicos llaman «chirrido». Los colores más brillantes indican que la señal fue identificada más claramente por LIGO por encima del ruido de fondo. Los mismos datos de ondas gravitacionales también se han convertido en frecuencias de audio, lo que hace posible escuchar realmente estas colisiones cósmicas mientras ocurren. El video reproduce cada detección dos veces. La primera ronda se reproduce en las frecuencias originales, en las que las frecuencias de las ondas gravitacionales se han convertido directamente en ondas de sonido. En la segunda ronda, el tono se ha aumentado en un 30 por ciento para que el chirrido sea más fácil de escuchar. Preste atención al leve «silbido» que se eleva desde la estática de fondo: ese es el sonido del propio espacio-tiempo ondulando. Observe cuánto más silencioso es el ruido de fondo detrás de GW250114 en comparación con GW150914, lo que indica la drástica mejora en la sensibilidad de LIGO en la última década. [Crédito: LIGO/Derek Davis (URI)]
Al analizar las frecuencias de las ondas gravitacionales emitidas por la fusión, el equipo de LVK logró proporcionar la mejor evidencia observacional obtenida hasta la fecha de lo que se conoce como el teorema del área del agujero negro, una idea propuesta por Stephen Hawking en 1971 que afirma que la superficie total de los agujeros negros no puede disminuir. Cuando los agujeros negros se fusionan, sus masas se combinan, aumentando la superficie. Sin embargo, también pierden energía en forma de ondas gravitacionales. Además, la fusión puede provocar que el agujero negro combinado aumente su giro, lo que resulta en un área menor. El teorema del área del agujero negro establece que, a pesar de estos factores en pugna, la superficie total debe aumentar de tamaño.
Posteriormente, Hawking y el físico Jacob Bekenstein concluyeron que el área de un agujero negro es proporcional a su entropía, o grado de desorden. Estos hallazgos sentaron las bases para trabajos pioneros posteriores en el campo de la gravedad cuántica, que intenta unir dos pilares de la física moderna: la relatividad general y la física cuántica.
En esencia, la detección de LIGO permitió al equipo «escuchar» el crecimiento de dos agujeros negros al fusionarse en uno solo, verificando así el teorema de Hawking. (Virgo y KAGRA no estaban conectados durante esta observación). Los agujeros negros iniciales tenían una superficie total de 240.000 kilómetros cuadrados (aproximadamente el tamaño de Oregón), mientras que el área final fue de unos 400.000 kilómetros cuadrados (aproximadamente el tamaño de California), un claro aumento. Esta es la segunda prueba del teorema del área de los agujeros negros; una prueba inicial se realizó en 2021 con datos de la primera señal GW150914, pero debido a que esos datos no eran tan precisos, los resultados tuvieron un nivel de confianza del 95 %, en comparación con el 99,999 % de los nuevos datos.
Thorne recuerda que Hawking lo llamó por teléfono para preguntarle si LIGO podría probar su teorema inmediatamente después de enterarse de la detección de ondas gravitacionales en 2015. Hawking falleció en 2018 y, lamentablemente, no vivió para ver su teoría verificada observacionalmente. «Si Hawking viviera, se habría deleitado viendo aumentar el área de los agujeros negros fusionados», afirma Thorne.
La parte más complicada de este tipo de análisis consistió en determinar la superficie final del agujero negro fusionado. Las superficies de los agujeros negros previos a la fusión se pueden deducir con mayor facilidad a medida que ambos se unen en espiral, agitando el espacio-tiempo y produciendo ondas gravitacionales. Sin embargo, tras la fusión de los agujeros negros, la señal no es tan nítida. Durante esta fase, denominada fase de anillo, el agujero negro final vibra como una campana al ser golpeada.
En el nuevo estudio, los investigadores pudieron medir con precisión los detalles de la fase de anillo, lo que les permitió calcular la masa y el espín del agujero negro y, posteriormente, determinar su superficie. Más precisamente, lograron, por primera vez, identificar con seguridad dos modos distintos de ondas gravitacionales en la fase de anillo. Los modos son como los sonidos característicos que produciría una campana al ser golpeada; Tienen frecuencias relativamente similares, pero se extinguen a ritmos diferentes, lo que dificulta su identificación. La mejora en los datos de GW250114 permitió al equipo extraer los modos, demostrando que la caída de la frecuencia del agujero negro se produjo exactamente como lo predijeron los modelos matemáticos basados en el formalismo de Teukolsky, ideado en 1972 por Saul Teukolsky, actualmente profesor en Caltech y Cornell.
Otro estudio del LVK, publicado hoy en Physical Review Letters, limita la predicción de un tercer tono más agudo en la señal de GW250114 y realiza algunas de las pruebas más rigurosas hasta la fecha sobre la precisión de la relatividad general para describir la fusión de agujeros negros.
Visualización de la fusión de un agujero negro binario, consistente con el evento de ondas gravitacionales GW250114. La primera parte de la animación muestra la espiral y la fusión de los dos agujeros negros, con una representación de las ondas gravitacionales emitidas en el plano ecuatorial. El agujero negro remanente formado por la fusión se distorsiona inicialmente de forma pronunciada, como se enfatiza por su sombreado. La animación continúa unos milisegundos después de la fase de anillo. En ese punto, las ondas gravitacionales se separan en los dos modos del agujero negro remanente en anillo identificados en la observación de GW250114: el modo fundamental cuadrupolar (denominado «Primer tono») y su primer sobretono («Segundo tono»). También se muestra un tercer tono previsto, limitado por los datos. Los tonos detectados tienen un patrón cuadrupolar, mientras que el tercer tono tiene un patrón hexadecapolar. A medida que avanza la animación, las ondas gravitacionales en anillo se alejan, dejando tras de sí un agujero negro inactivo. Visualización realizada en el Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein), basada en una simulación de relatividad numérica del Proyecto de Simulación de Espacio-tiempos Extremos (SXS). [Crédito: H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), K. Mitman (Universidad de Cornell)]
“Una década de mejoras nos permitió realizar esta exquisita medición”, afirma Chatziioannou. “Para lograrlo, se necesitaron nuestros dos detectores, en Washington y Luisiana. No sé qué ocurrirá en 10 años más, pero en los primeros 10 años hemos logrado mejoras enormes en la sensibilidad de LIGO. Esto no solo significa que estamos acelerando el ritmo de descubrimiento de nuevos agujeros negros, sino que también estamos capturando datos detallados que amplían nuestro conocimiento sobre las propiedades fundamentales de los agujeros negros”.
Jenne Driggers, científica sénior responsable de detección en LIGO Hanford, añade: “Se necesita una comunidad global para lograr nuestros objetivos científicos. Desde nuestros exquisitos instrumentos hasta la calibración precisa de los datos, la verificación y garantía de la fidelidad de la calidad de los datos, la búsqueda de señales astrofísicas en los datos y su integración en un sistema que los telescopios puedan leer y procesar rápidamente, son muchas las tareas especializadas que se combinan para hacer de LIGO el gran éxito que es”. Superando los límites
LIGO y Virgo también han descubierto estrellas de neutrones durante la última década. Al igual que los agujeros negros, las estrellas de neutrones se forman a partir de la muerte explosiva de estrellas masivas, pero pesan menos y brillan con luz. Cabe destacar que, en agosto de 2017, LIGO y Virgo presenciaron una colisión épica entre dos estrellas de neutrones —una kilonova— que envió oro y otros elementos pesados al espacio y atrajo la atención de docenas de telescopios en todo el mundo, que capturaron luz que abarcaba desde rayos gamma de alta energía hasta ondas de radio de baja energía. Este evento astronómico de «multimensajero» marcó la primera vez que se capturaron tanto luz como ondas gravitacionales en un solo evento cósmico. Hoy en día, el LVK continúa alertando a la comunidad astronómica sobre posibles colisiones de estrellas de neutrones, quienes posteriormente utilizan telescopios para buscar señales de kilonovas en el cielo.
“El LVK ha avanzado considerablemente en los últimos años para garantizar que obtengamos datos y alertas de alta calidad para el público en menos de un minuto, de modo que los astrónomos puedan buscar señales de múltiples mensajeros en nuestros candidatos a ondas gravitacionales”, afirma Driggers.
“La red global del LVK es esencial para la astronomía de ondas gravitacionales”, afirma Gianluca Gemme, portavoz de Virgo y director de investigación del INFN (Instituto Nacional de Física Nuclear). “Con tres o más detectores operando al unísono, podemos identificar eventos cósmicos con mayor precisión, extraer información astrofísica más completa y habilitar alertas rápidas para el seguimiento de múltiples mensajeros. Virgo se enorgullece de contribuir a este esfuerzo científico mundial”.
Otros descubrimientos científicos de LVK incluyen la primera detección de colisiones entre una estrella de neutrones y un agujero negro; fusiones asimétricas, en las que un agujero negro es significativamente más masivo que su compañero; el descubrimiento de los agujeros negros más ligeros conocidos, que desafía la idea de que existe una «brecha de masa» entre las estrellas de neutrones y los agujeros negros; y la fusión de agujeros negros más masiva observada hasta la fecha, con una masa combinada de 225 masas solares. Como referencia, el anterior poseedor del récord de la fusión más masiva tenía una masa combinada de 140 masas solares.
Incluso en las décadas previas a que LIGO comenzara a recopilar datos, los científicos ya estaban sentando las bases que hicieron posible el campo de la ciencia de las ondas gravitacionales. Los avances en las simulaciones por computadora de las fusiones de agujeros negros, por ejemplo, permiten al equipo extraer y analizar las débiles señales de ondas gravitacionales generadas en todo el universo.
Los logros tecnológicos de LIGO, que se remontan a la década de 1980, incluyen varias innovaciones de gran alcance, como una nueva forma de estabilizar láseres mediante la llamada técnica Pound-Drever-Hall. Inventada en 1983 y nombrada en honor a los físicos Robert Vivian Pound, el difunto Ronald Drever de Caltech (uno de los fundadores de LIGO) y John Lewis Hall, esta técnica se utiliza ampliamente hoy en día en otros campos, como el desarrollo de relojes atómicos y computadoras cuánticas. Otras innovaciones incluyen recubrimientos de espejo de vanguardia que reflejan la luz láser casi a la perfección; herramientas de «compresión cuántica» que permiten a LIGO superar los límites de sensibilidad impuestos por la física cuántica; y nuevos métodos de inteligencia artificial que podrían silenciar aún más ciertos tipos de ruido no deseado.
«Lo que hacemos en LIGO es proteger la información cuántica y asegurarnos de que no sea destruida por factores externos», afirma Mavalvala. Las técnicas que estamos desarrollando son pilares de la ingeniería cuántica y tienen aplicaciones en una amplia gama de dispositivos, como ordenadores y sensores cuánticos.
En los próximos años, los científicos e ingenieros de LVK esperan perfeccionar aún más sus máquinas, ampliando su alcance cada vez más en el espacio. También planean utilizar el conocimiento adquirido para construir otro detector de ondas gravitacionales, LIGO India. Contar con un tercer observatorio LIGO mejoraría considerablemente la precisión con la que la red LVK puede localizar fuentes de ondas gravitacionales.
A más largo plazo, el equipo está trabajando en el concepto de un detector aún mayor, llamado Cosmic Explorer, que tendría brazos de 40 kilómetros de longitud (los observatorios gemelos LIGO tienen brazos de 4 kilómetros). Un proyecto europeo, llamado Einstein Telescope, también planea construir uno o dos interferómetros subterráneos de gran tamaño con brazos de más de 10 kilómetros de longitud. Observatorios de esta escala permitirían a los científicos escuchar las primeras fusiones de agujeros negros en el universo.
“Hace apenas diez años, LIGO nos abrió los ojos por primera vez a las ondas gravitacionales y cambió la forma en que la humanidad ve el cosmos”, afirma Aamir Ali, director de programa de la División de Física de la NSF, que ha apoyado a LIGO desde su creación. “Hay todo un universo por explorar a través de esta lente completamente nueva, y estos últimos descubrimientos demuestran que LIGO apenas está comenzando”.
