Diez años después de su descubrimiento, las ondas gravitacionales verifican el Teorema del Área de los Agujeros Negros de Stephen Hawking

• LIGO, Virgo y KAGRA celebran el aniversario de la primera detección de ondas gravitacionales y anuncian la verificación del Teorema del Área de los Agujeros Negros de Stephen Hawking.

• La señal GW250114, excepcionalmente nítida, confirma la ley de áreas de Hawking y abre una ventana a la exploración del principio holográfico en agujeros negros, destaca Juan García-Bellido (IFT-UAM/CSIC).

Spanish translation by Pablo García Abia and Isabel Cordero

El 14 de septiembre de 2015, una señal llegó a la Tierra llevando información sobre un par de agujeros negros lejanos que se habían acercado en espiral hasta fusionarse. La señal había viajado unos 1.300 millones de años para alcanzarnos a la velocidad de la luz —pero no estaba hecha de luz. Era una señal de otro tipo: un temblor del espacio-tiempo conocido como ondas gravitacionales, predicho por primera vez por Albert Einstein cien años antes. Aquel día, hace diez años, los dos detectores gemelos del Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés) realizaron la primera detección directa de ondas gravitacionales. Las colaboraciones LIGO y Virgo lo anunciaron al mundo en febrero de 2016, tras seis meses de análisis y verificación.

El histórico hallazgo quería decir que los investigadores e investigadoras ahora podían empezar a percibir el universo a través de tres canales diferentes. Ya se habían captado antes ondas de luz —rayos X, luz visible, ondas de radio y otras longitudes de onda—, así como partículas de alta energía llamadas rayos cósmicos y neutrinos. Pero era la primera vez que la comunidad científica era testigo de un evento cósmico a través de la deformación gravitatoria del espacio-tiempo. Por este logro, soñado más de cuarenta años antes, tres de los fundadores de LIGO recibieron el Premio Nobel de Física en 2017: Rainer Weiss, profesor emérito de física del MIT (fallecido recientemente a los 92 años), Barry Barish y Kip Thorne, estos dos últimos ambos de Caltech.

LIGO, que cuenta con detectores en Hanford (Washington, EE.UU.) y Livingston (Luisiana, EE.UU.), el detector Virgo en Italia y KAGRA en Japón, operan de manera coordinada y actualmente observan de forma rutinaria aproximadamente una fusión de agujeros negros cada tres días. En conjunto, la red de búsqueda de ondas gravitacionales —conocida como LVK (LIGO, Virgo, KAGRA)— ha registrado un total de más de 300 fusiones de agujeros negros, la mayoría ya confirmadas, mientras que otras esperan un análisis más detallado. Durante la actual campaña de observación científica de la red, la cuarta desde la primera que tuvo lugar en 2015, LVK ha descubierto unas 230 fusiones de agujeros negros candidatas, más del doble de las registradas en las tres primeras campañas.

El espectacular aumento en el número de descubrimientos de LVK durante la última década se debe a múltiples mejoras de sus detectores, algunas de las cuales involucran  ingeniería cuántica de precisión de vanguardia. Estos interferómetros de ondas gravitacionales siguen siendo, con diferencia, las reglas de medir más precisas jamás construidas por el ser humano. Las distorsiones del espacio-tiempo inducidas por las ondas gravitacionales son increíblemente minúsculas: para detectarlas, LIGO y Virgo deben medir cambios en el espacio-tiempo menores que una diezmilésima del tamaño de un protón, unas 700 billones de veces más pequeños que el grosor de un cabello humano.

La señal más clara hasta ahora

La mejora en la sensibilidad de los instrumentos ha sido demostrada en un descubrimiento reciente: la fusión de agujeros negros denominada GW250114 (las cifras corresponden a la fecha de llegada de la señal de ondas gravitacionales a la Tierra: el 14 de enero de 2025). El evento no fue muy distinto de la primera detección histórica (acuñada con el acrónimo GW150914): en ambos casos, agujeros negros de entre 30 y 40 veces la masa del Sol colisionando a unos 1.300 millones de años luz de distancia. Pero gracias a diez años de avances tecnológicos que han reducido el ruido instrumental, la señal GW250114 es muchísimo más clara.

Al analizar las frecuencias de las ondas gravitacionales emitidas durante la fusión, el equipo del LVK fue capaz de obtener la mejor evidencia observacional registrada hasta la fecha del llamado teorema del área de los agujeros negros, propuesto por Stephen Hawking en 1971. El teorema establece que la superficie total de los agujeros negros no puede disminuir. Cuando los agujeros negros se fusionan, sus masas se combinan y, por tanto, la superficie crece. Sin embargo, el proceso de fusión también irradia energía en forma de ondas gravitacionales y además puede incrementar la velocidad de rotación del agujero negro resultante, lo que conduciría a reducir su área. El teorema de Hawking afirma que, pese a que estos efectos compiten, el área total debe aumentar en tamaño.

Más tarde, 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 abrieron el camino a investigaciones posteriores pioneras en gravedad cuántica, disciplina que intenta unir dos pilares de la física moderna: la relatividad general y la física cuántica.

Juan García-Bellido, investigador del IFT (UAM-CSIC) y miembro de la colaboración, comenta el resultado: “Esta señal, con una relación señal-ruido excepcional, nos permite seguir la evolución hasta la fusión y el ringdown y comprobar de forma directa la ley de áreas: el área total crece al combinarse dos agujeros negros de Kerr (con masa y spin).”

Además, García-Bellido añade: “Por primera vez en régimen de campo fuerte podemos acotar desviaciones de la relatividad general comparando lo que medimos justo antes de la fusión (inspiral) y justo después (ringdown). La consistencia entre ambas fases refuerza que la gravedad se comporta como predice la teoría en estas condiciones extremas. Esto es fascinante.”

“Podemos oírla alto y claro, y eso nos permite poner a prueba las leyes fundamentales de la física”, señala Katerina Chatziioannou, miembro del equipo de LIGO y profesora asistente de Física en Caltech, y William H. Hurt Scholar, uno de los autores principales del nuevo estudio sobre GW250114 publicado en Physical Review Letters.

En esencia, la detección (realizada únicamente por LIGO, ya que Virgo estaba en mantenimiento rutinario y KAGRA fuera de servicio durante esa observación) permitió al equipo “escuchar” cómo dos agujeros negros crecían al fusionarse en uno, verificando el teorema de Hawking. Los agujeros negros iniciales tenían una superficie combinada de 240.000 km² (aproximadamente el tamaño del Reino Unido), mientras que la superficie final alcanzó unos 400.000 km² (casi el tamaño de Suecia), un claro aumento. Este es el segundo test del teorema del área de los agujeros negros; el test inicial se realizó en 2021 utilizando los datos de la primera señal GW150914, pero debido a que los datos eran menos limpios, los resultados arrojaban una confianza estadística del 95%, frente al 99,999% alcanzado con los nuevos datos.

Además del test de la ley de áreas, este evento aporta pistas sobre la holografía de agujeros negros: en un agujero negro de tipo Kerr (sin carga), el área del horizonte —ligada a su masa y spin— se comporta como predice Hawking y, en términos termodinámicos, como anticiparon Bekenstein y Hawking, con una proporcionalidad entre área y entropía. Este marco, que conecta mecánica cuántica, relatividad y termodinámica, sugiere que los grados de libertad relevantes podrían describirse en la superficie del agujero negro, abriendo una vía observacional a las ideas holográficas.

Juan García-Bellido (IFT-UAM/CSIC) explica: “La señal está tan bien determinada que podemos seguir la evolución temporal de la amplitud hasta la fusión y, después, el ringdown, que desemboca en un agujero negro de Kerr. Vemos que la relación entre área, masa y spin se satisface estrechamente en este evento, confirmando la ley de áreas de Hawking en régimen de campo fuerte.”

“Esto es relevante para la holografía de agujeros negros: si el área codifica la entropía, los grados de libertad que aún no entendemos del todo deberían residir de forma efectiva en la frontera del horizonte. Este resultado abre el camino a contrastar experimentalmente esas ideas.”

Kip Thorne recuerda cómo Hawking le llamó por teléfono inmediatamente después de conocerse la detección de onda gravitacional de 2015 para preguntarle si LIGO podría comprobar su teorema. Hawking murió en 2018, tristemente sin llegar a ver su hipótesis confirmada observacionalmente. “Si Hawking siguiera vivo, habría disfrutado viendo cómo el área de los agujeros negros fusionados aumenta”, comenta Thorne.

La parte más complicada de este tipo de análisis tenía que ver con determinar la superficie final del agujero negro fusionado. Las superficies de los agujeros negros antes de la fusión se pueden deducir más fácilmente a medida que la pareja gira de manera conjunta  en espiral, agitando el espacio-tiempo y produciendo ondas gravitacionales. Pero tras la fusión de  los agujeros negros, la señal no es tan clara. Durante esta fase denominada “de relajación” (en inglés ringdown), el agujero negro final vibra como una campana que ha sido golpeada. En el nuevo estudio, los investigadores e investigadoras pudieron medir con precisión los detalles de la fase de relajación, lo que les permitió calcular la masa y la velocidad de rotación del agujero negro y, posteriormente, determinar su superficie. Más concretamente, pudieron, por primera vez, identificar con seguridad dos modos distintos de ondas gravitacionales en la fase de relajación. Los modos son como los sonidos característicos que produce una campana cuando se golpea; tienen frecuencias algo similares, pero se apagan a ritmos diferentes, lo que dificulta su identificación. La mejora de los datos de GW250114 permitió al equipo extraer los modos, lo que demostró que la relajación del agujero negro se produjo exactamente como predijeron los modelos matemáticos. 

Otro estudio del LVK, enviado hoy a la revista Physical Review Letters, establece límites a un tercer tono más agudo previsto en la señal GW250114 y realiza algunas de las pruebas más rigurosas hasta la fecha sobre la precisión de la relatividad general a la hora de describir la fusión de agujeros negros.

“Analizar los datos de deformación de los detectores para detectar señales astrofísicas transitorias, enviar alertas para activar observaciones de seguimiento desde telescopios o publicar resultados físicos recopilando información de hasta cientos de eventos es un proceso bastante largo”, añade Nicolas Arnaud, investigador del CNRS en Francia y coordinador de Virgo de la cuarta campaña de observación científica. “De los muchos pasos especializados que requiere un marco tan complejo, veo a las personas que hay detrás de todos estos datos, y en particular a las que están de guardia en todo momento, vigilando nuestros instrumentos. Hay científicos y científicas de LVK en todas las regiones, que persiguen un objetivo común: ¡literalmente, el Sol nunca se pone sobre nuestras colaboraciones!”.

Ampliando 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 tras la muerte explosiva de estrellas masivas, pero pesan menos y brillan con luz propia. Cabe destacar que, en agosto de 2017, LIGO y Virgo fueron testigos de una colisión épica entre un par de estrellas de neutrones —una kilonova— que lanzó oro y otros elementos pesados al espacio y atrajo la mirada de docenas de telescopios de todo el mundo, que captaron luz con diferentes frecuencias, desde rayos gamma de alta energía hasta ondas de radio de baja energía. Este evento astronómico “multimensajero” marcó la primera vez que se captaban tanto la luz como las ondas gravitacionales de un único evento cósmico. En la actualidad, el LVK sigue alertando a la comunidad astronómica sobre posibles colisiones de estrellas de neutrones, que luego utilizan telescopios para buscar en el cielo señales de otra kilonova.

“La red global LVK es esencial para la astronomía de ondas gravitacionales”, afirma Gianluca Gemme, portavoz de Virgo y director de investigación del INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). “Con tres o más detectores funcionando al unísono, podemos localizar en el cielo eventos cósmicos con mayor precisión, extraer información astrofísica más rica y permitir enviar alertas rápidas para el seguimiento multimensajero. 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 estrella de neutrones compañera; el descubrimiento de los agujeros negros más ligeros conocidos, lo que desafía la idea de la existencia de  una “brecha de masa” entre las estrellas de neutrones y los agujeros negros; y la fusión de agujeros negros más masiva observada hasta ahora, con una masa fusionada de 225 masas solares. A modo de referencia, el anterior récord de la fusión más masiva tenía una masa combinada de 140 masas solares.

En los próximos años, los científicos y científicas de LVK esperan seguir poniendo a punto sus máquinas, ampliando su alcance de manera cada vez más profunda en el espacio. También planean utilizar los conocimientos adquiridos para construir otro detector de ondas gravitacionales, LIGO India. De cara al futuro, la comunidad científica está trabajando en un concepto para detectores aún más grandes. El proyecto europeo, denominado Einstein Telescope, prevé construir uno o dos enormes interferómetros subterráneos con brazos de más de 10 kilómetros. El proyecto estadounidense, denominado Cosmic Explorer, sería similar al actual LIGO, pero con brazos de 40 kilómetros de longitud. Los observatorios de esta envergadura permitirían a los científicos y científicas escuchar las primeras fusiones de agujeros negros del universo y, posiblemente, el eco de las sacudidas gravitacionales de los primeros instantes de nuestro universo.

“Este es un momento increíble para la investigación de las ondas gravitacionales: gracias a instrumentos como Virgo, LIGO y KAGRA, podemos explorar un universo oscuro que antes era completamente inaccesible”, afirma Massimo Carpinelli, profesor de la Universidad de Milán-Bicocca y director del Observatorio Gravitacional Europeo en Cascina. “Los logros científicos de estos 10 años están provocando una auténtica revolución en nuestra visión del universo. Ya estamos preparando una nueva generación de detectores, como el Einstein Telescope en Europa y el Cosmic Explorer en Estados Unidos, así como el interferómetro espacial LISA, que nos llevará aún más lejos en el espacio y atrás en el tiempo. En los próximos años, sin duda podremos afrontar estos extraordinarios retos gracias a una cooperación cada vez más amplia y sólida entre la comunidad científica, diferentes países e instituciones, tanto a nivel europeo como mundial”.