¿Podrían los ecos de los agujeros negros en colisión probar la mayor predicción de Stephen Hawking?

Las señales sutiles de las fusiones de agujeros negros podrían confirmar la existencia de la "radiación de Hawking", y los detectores de ondas gravitacionales ya pueden haberlas observado.

Dos agujeros negros masivos giran en espiral juntos y emiten copiosas ondas gravitacionales momentos antes de colisionar en esta imagen de una simulación numérica
Dos agujeros negros masivos giran en espiral juntos y emiten copiosas ondas gravitacionales momentos antes de colisionar en esta imagen de una simulación numérica

En 1974, Stephen Hawking teorizó que los agujeros negros no son negros, sino que emiten lentamente radiación térmica. La predicción sacudió la física, porque implicaba que éstos no pueden durar para siempre y que, en cambio, durante eones, se evaporan en la nada, excepto, sin embargo, por un pequeño problema: simplemente no hay forma de ver una radiación tan débil. Pero si esta "radiación de Hawking" pudiera de alguna manera ser estimulada y amplificada, podría ser detectable, según algunos astrofísicos. Y ahora afirman haber visto signos de ello después de la colisión más masiva de agujeros negros jamás observada.

Observaron ondas gravitacionales, ondas en el tejido del espacio-tiempo, a partir de la fusión de dos agujeros negros que tenían una masa total de 151 soles

La afirmación, sin embargo, es extremadamente controvertida, porque otras búsquedas de tales ecos de ondas gravitacionales han surgido con las manos vacías.

En mayo de 2019, el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO), en los Estados Unidos, y Virgo, en Italia, observaron ondas gravitacionales, ondas en el tejido del espacio-tiempo, a partir de la fusión de dos agujeros negros que tenían una masa total de 151 soles. La fusión dejó un agujero negro de 142 masas solares. La diferencia de nueve masas solares se irradió, casi toda en forma de ondas gravitacionales.

"Este es el evento más masivo observado hasta la fecha", dice Jahed Abedi, de la Universidad de Stavanger en Noruega, quien es coautor de un artículo de preimpresión en el que él y sus colegas afirman haber medido la radiación de Hawking de esta fusión.

El físico británico Stephen Hawking esbozó algunas de las teorías más importantes sobre los agujeros negros.
El físico británico Stephen Hawking esbozó algunas de las teorías más importantes sobre los agujeros negros.

Las ondas gravitacionales de este evento, llamadas GW190521, no solo se ondularon para finalmente interactuar con los detectores de LIGO y Virgo en la Tierra; también se lavaron sobre el agujero negro remanente producido por la colisión inicial. Lo que sucedió a continuación depende de su visión de la física de los agujeros negros. Si los agujeros negros son descritos completamente por la teoría general de la relatividad de Einstein, entonces tienen un horizonte de eventos, un límite unidireccional, en el que cualquier cosa puede caer, pero del que nada puede escapar. "En la imagen estándar del agujero negro, el horizonte de eventos de un agujero negro absorbe toda la radiación", explica Paolo Pani, físico teórico de la Universidad Sapienza de Roma. Así que las ondas gravitacionales hacia adentro deberían simplemente desaparecer.

Una combinación de física cuántica y relatividad general

Pero eso podría no ser lo que sucedió. Los físicos piensan que se necesita alguna combinación de física cuántica y relatividad general para describir completamente los agujeros negros, en cuyo caso es posible que una parte de las ondas gravitacionales que caen pueda reflejarse, ya sea debido a los efectos cuánticos cerca del horizonte o porque el objeto denso y compacto creado por la fusión carece de un horizonte y tiene alguna estructura interna.

Se cree que la región justo fuera del horizonte de un agujero negro es un lugar bullicioso, lleno de pares de partículas virtuales que entran y salen de la existencia. A veces uno de los dos cae en el agujero negro

 Si es así, las firmas similares a eco de estwo podrían estar presentes en la información recopilada por LIGO, Virgo y otros detectores. Al igual que los ecos sónicos, tales firmas serían mucho más débiles y cada vez más ligeramente retrasadas, en comparación con las ondas gravitacionales originales de la fusión.

Simulación de colisión de dos agujeros negros en espiral.
Simulación de colisión de dos agujeros negros en espiral. Foto: Ligo.

Exactamente cómo se verían tales ecos depende de la física exacta que se esté modelando. Por ejemplo, se cree que la región justo fuera del horizonte de un agujero negro es un lugar bullicioso, lleno de pares de partículas virtuales que entran y salen de la existencia. A veces uno de los dos cae en el agujero negro, y el otro escapa. Estas partículas constituyen la radiación de Hawking. Este es un proceso agonizantemente lento. En el caso del GW190521, Abedi y sus colegas argumentan que la producción de radiación de Hawking por el remanente podría acelerarse sustancialmente, estimulada, en otras palabras, por las ondas gravitacionales que caen.

El principio es algo similar a lo que ocurre durante la emisión estimulada de radiación en los átomos. En este proceso, los fotones de luz golpean electrones "excitados" en los átomos, haciendo que los electrones caigan a niveles de energía más bajos mientras escupen fotones que tienen la misma longitud de onda que los fotones incidentes.

Las ondas gravitacionales que interactúan con el horizonte de eventos de un agujero negro deberían estimular de manera similar la producción de radiación de Hawking a niveles que superan con creces las emisiones espontáneas

En ciertas situaciones, esta emisión estimulada puede exceder con creces la emisión espontánea de radiación de "fondo" (donde un electrón, por sí solo, cae de un nivel de energía más alto a uno más bajo y emite un fotón). Abedi y sus colegas teorizan que las ondas gravitacionales que interactúan con el horizonte de eventos de un agujero negro deberían estimular de manera similar la producción de radiación de Hawking a niveles que superan con creces las emisiones espontáneas, lo que la hace detectable. Esta radiación constituiría ondas gravitacionales de la misma longitud de onda que las ondas incidentes, aunque con una intensidad mucho menor.

Un agujero negro supermasivo en acción
Un agujero negro supermasivo en acción.

Los investigadores afirman haber visto signos de esta emisión estimulada de radiación de Hawking del remanente GW190521.

Dos métodos diferentes

Utilizaron dos métodos diferentes para analizar los datos de GW190521 recopilados por LIGO y Virgo. El primer método compara dos modelos: uno basado puramente en la relatividad general, sin ecos ni señales posteriores a la fusión, y otro que incluye radiación de Hawking estimulada. "Si los comparas, la (relatividad general) más la radiación estimulada posterior a la fusión se prefiere siete veces más", dice Abedi.

El segundo método era agnóstico sobre cualquier modelo específico y simplemente buscaba ráfagas coherentes de ondas gravitacionales posteriores a la fusión de diferentes detectores. El equipo afirma que encontró tales ráfagas. (Los dos métodos) son consistentes entre sí", apunta Abedi.

"Nuestro objetivo son los detectores de próxima generación"

El análisis estadístico de los investigadores da un 0,5 por ciento de probabilidades (aproximadamente una de cada 200 posibilidades) de que la señal putativa sea simplemente ruido. Normalmente, para que los físicos reclamen un descubrimiento, las probabilidades de una falsa alarma tienen que ser inferiores a una en un millón. En consecuencia, Pani, que no formaba parte del equipo, es circunspecto. "La evidencia estadística que tienen es... definitivamente demasiado baja para reclamar una medición", aclara.

"Esta no es (una) señal muy fuerte", reconoce Abedi, y agrega que, sin embargo, es lo mejor que se puede hacer con los detectores de ondas gravitacionales actuales. "Nuestro objetivo son los detectores de próxima generación".

Observatorio de Ondas Gravitacionales Ligo.
Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO).

Pani está de acuerdo en que una instalación como la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA), un proyecto dirigido por la Agencia Espacial Europea programado para su lanzamiento a fines de la década de 2030, sería más adecuada para tales estudios. "Con futuros detectores, si hay algo, obtendremos la evidencia necesaria para reclamar una medición", dice.

Sin embargo, incluso si la evidencia de una señal fuera estadísticamente más significativa, Pani sigue siendo crítico con la afirmación de Abedi y sus colegas de que esto sería evidencia de la radiación de Hawking. "Podrían haber reclamado la medición de ecos de ondas gravitacionales. Es un gran paso conceptual decir que esto es estimulado por la radiación de Hawking", indica Pani. "En otros modelos, podría ser otra cosa".

Eventos de agujeros negros

El mes pasado, los miembros de LIGO, Virgo y el Detector de Ondas Gravitacionales Kamioka (KAGRA) en Japón se unieron y publicaron una preimpresión de su último análisis de datos de ondas gravitacionales. Observaron 15 eventos, 14 en los que dos agujeros negros se fusionaron y uno en el que un agujero negro se fusionó con una estrella de neutrones.

Impresión artística de Lisa.
Impresión artística de Lisa, un proyecto de la Agencia Espacial Europea.

"No encontramos evidencia de ecos o cualquier otra desviación de las predicciones de la relatividad general"

Todos los eventos habían sido observados por dos o más detectores. "Este análisis incluyó GW190521. No encontramos evidencia de ecos o cualquier otra desviación de las predicciones de la relatividad general", manifiesta Daniel Holz, miembro del equipo LIGO de la Universidad de Chicago. "Sería increíblemente emocionante si existieran ecos, o cualquiera de las otras desviaciones especulativas de la relatividad general, pero parece que no hay evidencia convincente de ellos en los datos hasta ahora. La teoría de Einstein ha pasado todas las pruebas hasta la fecha. Es vergonzosamente efectivo y preciso".

Pani, mientras tanto, mantiene sus ojos en el horizonte para ver si se confirma o no la afirmación hecha por Abedi y sus colegas sobre la radiación estimulada de Hawking, o los ecos en general. "Si esto se confirma en el futuro, será un gran paso", declara Pani, "especialmente para el campo en general porque dará una especie de portal a las propiedades cuánticas de los agujeros negros que de otro modo sería imposible de ver por otros medios".

Ilustración de un agujero negro supermasivo regulando la evolución de su entorno. / Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) y Dylan Nelson (Illustris-TNG)

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