POR PRIMERA VEZ LOS CIENTÍFICOS DETECTAN EL SONIDO DE UN AGUJERO NEGRO RECIÉN NACIDO

Si la teoría de la relatividad general de Albert Einstein es cierta, entonces un agujero negro, nacido de las colisiones cósmicamente temblorosas de dos agujeros negros masivos, debería “sonar” después, produciendo ondas gravitacionales muy parecidas a las campanas golpeadas reverberan las ondas sonoras. Einstein predijo que el tono y la desintegración particulares de estas ondas gravitacionales deberían ser una firma directa de la masa y el giro del agujero negro recién formado.

Ahora, los físicos del MIT y de otros lugares han “escuchado” el sonido de un agujero negro infantil por primera vez, y descubrieron que el patrón de este sonido, de hecho, predice la masa y el giro del agujero negro, más evidencia de que Einstein estuvo bien todo el tiempo.

Los hallazgos, publicados hoy en Physical Review Letters , también favorecen la idea de que los agujeros negros carecen de cualquier tipo de “cabello”, una metáfora que se refiere a la idea de que los agujeros negros, según la teoría de Einstein, deberían exhibir solo tres propiedades observables: masa, giro y carga eléctrica. Todas las demás características, que el físico John Wheeler denominó “cabello”, deberían ser tragadas por el agujero negro en sí, y por lo tanto no serían observables.

Los hallazgos del equipo hoy respaldan la idea de que los agujeros negros son, de hecho, sin pelo. Los investigadores pudieron identificar el patrón del sonido de un agujero negro y, utilizando las ecuaciones de Einstein, calcularon la masa y el giro que debería tener el agujero negro, dado su patrón de sonido. Estos cálculos coincidieron con las mediciones de la masa y el giro del agujero negro realizados previamente por otros.

Si los cálculos del equipo se desviaran significativamente de las mediciones, habría sugerido que el sonido del agujero negro codifica propiedades distintas de la masa, el giro y la carga eléctrica, lo que es una prueba tentadora de la física más allá de lo que la teoría de Einstein puede explicar. Pero resulta que el patrón de timbre del agujero negro es una firma directa de su masa y giro, lo que respalda la noción de que los agujeros negros son gigantes calvos, que carecen de propiedades extrañas y similares a pelos.

“Todos esperamos que la relatividad general sea correcta, pero esta es la primera vez que lo confirmamos de esta manera”, dice el autor principal del estudio, Maximiliano Isi, miembro de la NASA Einstein en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. “Esta es la primera medición experimental que logra probar directamente el teorema de no pelo. No significa que los agujeros negros no puedan tener cabello. Significa que la imagen de los agujeros negros sin cabello dura un día más”.

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 del 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 la rápida inspiración de dos agujeros negros masivos. El pico de la señal, la parte más fuerte del chirrido, se relacionó con el momento en que los agujeros negros colisionaron, fusionándose en un solo agujero negro nuevo. Si bien este agujero negro infantil probablemente emitió ondas gravitacionales propias, los físicos supusieron que su timbre característico sería demasiado débil para descifrar en medio del clamor de la colisión inicial.

Isi y sus colegas, sin embargo, encontraron una manera 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 de Isi, Matthew Giesler, el equipo demostró a través de simulaciones que tal señal, y particularmente la porción justo después del pico, contiene “armónicos”, 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 el nuevo artículo del equipo, los investigadores aplicaron esta técnica a los datos reales de la detección GW150914, concentrándose en los últimos milisegundos de la señal, inmediatamente después del pico del chirrido. Teniendo en cuenta los matices de la señal, pudieron discernir un sonido proveniente del nuevo agujero negro infantil. Específicamente, identificaron dos tonos distintos, cada uno con un tono y una tasa de caída 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”, dice Isi. “Cada frecuencia o tono corresponde a una frecuencia vibratoria del nuevo agujero negro”.

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 giro. 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 giro del agujero negro recién formado, dado el tono y la descomposición de los dos tonos que detectaron.

Encontraron que sus cálculos coincidían con las mediciones de la masa y el giro 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 solo 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”, dice Isi.

A medida que LIGO mejore su resolución, y los instrumentos más sensibles se conecten en el futuro, los investigadores podrán usar los métodos del grupo para “escuchar” el sonido de otros agujeros negros recién nacidos. Y si suceden tonos que no coinciden con las predicciones de Einstein, esa podría ser una perspectiva aún más emocionante.“En el futuro, tendremos mejores detectores en la Tierra y en el espacio, y podremos ver no solo dos, sino decenas de modos, y precisar sus propiedades con precisión”, dice Isi. “Si estos no son agujeros negros como predice Einstein, si son objetos más exóticos como agujeros de gusano o estrellas bosones, es posible que no suenen de la misma manera y tendremos la oportunidad de verlos”.