Diez años después, LIGO es una máquina de caza de agujeros negros
LIGO y sus socios celebran su aniversario y anuncian la verificación del Teorema del Área del Agujero Negro de Stephen Hawking
El 14 de septiembre de 2015, llegó a la Tierra una señal que contenía información sobre un par de agujeros negros remotos que habían girado en espiral y se habían fusionado. La señal había viajado unos 1300 millones de años para llegar hasta nosotros a la velocidad de la luz, pero no estaba hecha 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.
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| Una sinfonía cósmica revelada. Esta obra de arte imagina el asiento de primera fila definitivo para GW250114, una poderosa colisión entre dos agujeros negros observada en ondas gravitacionales por LIGO de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Representa la vista desde uno de los agujeros negros mientras gira en espiral hacia su compañero cósmico. Diez años después de la detección histórica de ondas gravitacionales por parte de LIGO, los detectores mejorados del observatorio le permitieron "oír" esta colisión celestial con una claridad sin precedentes. Los datos de ondas gravitacionales permitieron a los científicos distinguir múltiples tonos sutiles que resonaban como una campana cósmica a través del universo (imaginado aquí como hilos musicales entrelazados que giran en espiral hacia el centro). Aunque solo LIGO estaba en línea durante GW250114, ahora opera rutinariamente como parte de una red con otros detectores de ondas gravitacionales, incluidos Virgo de Europa y KAGRA de Japón. Crédito de la imagen: Aurore Simonnet (SSU/EdEon)/LVK/URI |
El histórico descubrimiento permitió a los investigadores percibir el universo a través de tres medios distintos. Si bien ya se habían detectado ondas de luz, como rayos X, radiación óptica, ondas de radio y otras longitudes de onda, así como partículas de alta energía llamadas rayos cósmicos y neutrinos, esta fue la primera vez que se observó un evento cósmico a través de la curvatura gravitacional del espacio-tiempo. Por este logro, concebido más de 40 años antes, tres de los fundadores del equipo ganaron el Premio Nobel de Física de 2017 : Rainer Weiss, profesor emérito de física del MIT ( fallecido recientemente a los 92 años); Barry Barish, profesor emérito de física Ronald y Maxine Linde del Caltech; y Kip Thorne, profesor emérito de física teórica Richard P. Feynman del 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 ahora opera en coordinación con dos socios internacionales: el detector de ondas gravitacionales Virgo en Italia y KAGRA en Japón. Juntos, la red de búsqueda de ondas gravitacionales, conocida como LVK (LIGO, Virgo, KAGRA), ha capturado un total de aproximadamente 300 fusiones de agujeros negros, algunas de las cuales están confirmadas, mientras que otras esperan un análisis más profundo. Durante la actual campaña científica de la red, la cuarta desde la primera en 2015, LVK ha descubierto más de 200 fusiones candidatas de agujeros negros, más del doble de las detectadas en las tres primeras campañas.
El drástico aumento en el número de descubrimientos de LVK durante la última década se debe a varias mejoras en sus detectores, algunas de las cuales implican ingeniería cuántica de precisión de vanguardia. Los detectores LVK siguen siendo, con mucho, las reglas más precisas para realizar mediciones jamás creadas por el ser humano. Las distorsiones del espacio-tiempo inducidas por las ondas gravitacionales son increíblemente minúsculas. Por ejemplo, LIGO detecta cambios en el espacio-tiempo menores a 1/10.000 del ancho de un protón. Eso es 700 billones de veces más pequeño que el ancho de un cabello humano
«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 agujeros negros. «Me llevó tres años, entre reflexionar sobre ello y debatir ideas con Rai y Vladimir Braginsky [un físico ruso], convencerme de que tenía una posibilidad significativa de éxito. La dificultad técnica de reducir el ruido no deseado que interfiere con la señal deseada era enorme. Tuvimos que inventar una tecnología completamente nueva. La NSF fue sencillamente magnífica guiando este proyecto a través de las revisiones técnicas y los obstáculos».
Nergis Mavalvala, profesora Curtis y Kathleen Marble de Astrofísica del MIT y decana de la Facultad de Ciencias, afirma que los desafíos que el equipo superó para realizar el primer descubrimiento siguen muy presentes. "Desde la exquisita precisión de los detectores LIGO hasta las teorías astrofísicas de las fuentes de ondas gravitacionales, pasando por los complejos análisis de datos, todos estos obstáculos tuvieron que superarse, y seguimos mejorando en todas estas áreas", afirma Mavalvala. "A medida que los detectores mejoran, anhelamos fuentes más lejanas y débiles. LIGO sigue siendo una maravilla tecnológica."
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| Este gráfico muestra los descubrimientos realizados por la red LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) desde la primera detección de LIGO, en 2015, de ondas gravitacionales que emanan de pares de agujeros negros en colisión. Encuentre una descripción completa del gráfico haciendo clic en la imagen en "Imágenes relacionadas" a la derecha. Crédito de la imagen: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC) |
La señal más clara hasta el momento
La sensibilidad mejorada de LIGO se ejemplifica en un descubrimiento reciente de una fusión de agujeros negros denominada 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 tan diferente de la primera detección de LIGO (llamada GW150914): ambos involucran agujeros negros que colisionan a unos 1300 millones de años luz de distancia con masas entre 30 y 40 veces la de nuestro Sol. Pero gracias a 10 años de avances tecnológicos que reducen el ruido instrumental, la señal de GW250114 es mucho más clara.
"Podemos oírlo alto y claro, y eso nos permite poner a prueba las leyes fundamentales de la física", dice Katerina Chatziioannou, miembro del equipo de LIGO, profesora asistente 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
Al analizar las frecuencias de las ondas gravitacionales emitidas por la fusión, el equipo de LVK proporcionó la mejor evidencia observacional obtenida hasta la fecha sobre 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 su superficie. Sin embargo, también pierden energía en forma de ondas gravitacionales. Además, la fusión puede provocar que el agujero negro resultante aumente su rotación, lo que reduce su área. El teorema del área del agujero negro establece que, a pesar de estos factores contrapuestos, la superficie total debe aumentar.
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 sentaron las bases para trabajos posteriores e innovadores en el campo de la gravedad cuántica, que busca unificar dos pilares de la física moderna: la relatividad general y la física cuántica.
En esencia, la detección de LIGO permitió al equipo "oír" el crecimiento de dos agujeros negros a medida que se fusionaban en uno, verificando el teorema de Hawking. (Virgo y KAGRA estaban fuera de servicio durante esta observación en particular). Los agujeros negros iniciales tenían una superficie total de 240.000 kilómetros cuadrados (aproximadamente el tamaño de Oregón), mientras que la superficie final era 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; se realizó una prueba inicial en 2021 utilizando datos de la primera señal GW150914, pero debido a que esos datos no eran tan limpios, los resultados tenían un nivel de confianza del 95 por ciento en comparación con el 99,999 por ciento para los nuevos datos
Thorne recuerda que Hawking lo llamó para preguntarle si LIGO podría probar su teorema inmediatamente después de enterarse de la detección de ondas gravitacionales de 2015. Hawking murió en 2018 y, lamentablemente, no vivió para ver su teoría verificada observacionalmente. "Si Hawking estuviera vivo, se habría deleitado al ver aumentar el área de los agujeros negros fusionados", dice Thorne.
La parte más complicada de este tipo de análisis tenía que ver con determinar el área superficial final del agujero negro fusionado. Las áreas superficiales de los agujeros negros antes de la fusión se pueden obtener más fácilmente a medida que el par gira en espiral, agitando el espacio-tiempo y produciendo ondas gravitacionales. Pero después de que los agujeros negros se fusionan, la señal no es tan clara. Durante esta llamada fase de relajación, el agujero negro final vibra como una campana golpeada.
En el nuevo estudio, los investigadores midieron con precisión los detalles de la fase de relajación, lo que les permitió calcular la masa y el espín del agujero negro y, posteriormente, determinar su área superficial. Más precisamente, 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 haría una campana al ser golpeada; tienen frecuencias algo similares, pero se extinguen a ritmos diferentes, lo que dificulta su identificación. Los datos mejorados de GW250114 permitieron al equipo extraer los modos, demostrando que la relajación del agujero negro ocurrió exactamente como lo predijeron los modelos matemáticos basados en el formalismo de Teukolsky, ideado en 1972 por Saul Teukolsky, ahora profesor en Caltech y Cornell.
Otro estudio del LVK, enviado hoy a Physical Review Letters, establece límites a un tercer tono, de 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 al describir la fusión de agujeros negros.
«Una década de mejoras nos permitió realizar esta medición tan precisa», afirma Chatziioannou. «Para ello, fue necesario el uso de nuestros dos detectores, en Washington y Luisiana. Desconozco qué ocurrirá en los próximos diez años, pero en los primeros diez hemos logrado mejoras extraordinarias en la sensibilidad de LIGO. Esto no solo significa que estamos acelerando el ritmo de descubrimiento de nuevos agujeros negros, sino que también estamos obteniendo datos detallados que amplían nuestro conocimiento sobre las propiedades fundamentales de los agujeros negros».
Jenne Driggers, científica sénior principal 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 el empaquetado de todo eso en algo que los telescopios puedan leer y sobre lo que puedan actuar rápidamente, hay muchas tareas especializadas que se combinan para hacer de LIGO el gran éxito que es.".
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| Este gráfico muestra las señales de ondas gravitacionales registradas por el detector LIGO de Hanford con casi diez años de diferencia. La parte superior muestra los datos de la primera detección de ondas gravitacionales de LIGO, un evento llamado GW150914, capturado en 2015. La parte inferior muestra la señal conocida como GW250114, capturada en 2025. Ambos eventos involucran la colisión de agujeros negros a unos 1300 millones de años luz de distancia con masas entre 30 y 40 veces la de nuestro Sol. La línea morada muestra los datos, que son una combinación de la señal más el ruido de fondo del detector. El ruido proviene de diversas fuentes, incluidos los movimientos sísmicos que hacen vibrar los espejos gigantes dentro de LIGO. La línea verde muestra la predicción de mejor ajuste de la relatividad general para cada señal. El ruido mucho menor que se observa hoy en día se debe a las mejoras de vanguardia realizadas en los detectores LIGO que suprimen el ruido no deseado. Crédito de la imagen: LIGO/J. Tissino (GSSI)/R. Hurt (Caltech-IPAC) |
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 un par de estrellas de neutrones, una kilonova, que lanzó oro y otros elementos pesados al espacio y atrajo la atención de docenas de telescopios de todo el mundo, que captaron luz que abarcaba desde rayos gamma de alta energía hasta ondas de radio de baja energía. El evento astronómico "multimensajero" marcó la primera vez que se captaron 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 luego utilizan telescopios para buscar en el cielo señales de kilonovas
"El LVK ha dado grandes pasos en los últimos años para garantizar que recibamos 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 de nuestros candidatos a ondas gravitacionales", dice Driggers.
"La red global LVK es esencial para la astronomía de ondas gravitacionales", dice Gianluca Gemme, portavoz de Virgo y director de investigación del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia. "Con tres o más detectores operando al unísono, podemos identificar eventos cósmicos con mayor precisión, extraer información astrofísica más rica y permitir 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, lo 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 vista hasta ahora, 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 anteriores a que LIGO comenzara a tomar datos, los científicos estaban sentando las bases que hicieron posible el campo de la ciencia de las ondas gravitacionales. Los avances en las simulaciones por computadora de 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 los láseres mediante la llamada técnica Pound-Drever-Hall. Inventada en 1983 y nombrada en honor a los físicos que contribuyeron a ella, Robert Vivian Pound, el fallecido Ronald Drever de Caltech (fundador 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 espejos 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 IA que podrían reducir aún más ciertos tipos de ruido no deseado
"Lo que hacemos en última instancia dentro de LIGO es proteger la información cuántica y asegurarnos de que no se destruya por factores externos", dice Mavalvala. "Las técnicas que estamos desarrollando son pilares de la ingeniería cuántica y tienen aplicaciones en una amplia gama de dispositivos, como computadoras cuánticas y sensores cuánticos."
En los próximos años, los científicos e ingenieros de LVK esperan perfeccionar aún más sus máquinas, expandiendo su alcance cada vez más profundo en el espacio. También planean utilizar el conocimiento que han adquirido para construir otro detector de ondas gravitacionales, LIGO India . Tener un tercer observatorio LIGO mejoraría enormemente la precisión con la que la red LVK puede localizar las fuentes de ondas gravitacionales.
Mirando más allá en el futuro, el equipo está trabajando en un concepto para un detector aún más grande, llamado Explorador Cósmico , que tendría brazos de 40 kilómetros de largo (los observatorios gemelos LIGO tienen brazos de 4 kilómetros). Un proyecto europeo, llamado Telescopio Einstein, también planea construir uno o dos enormes interferómetros subterráneos con brazos de más de 10 kilómetros de largo. Los observatorios de esta escala permitirían a los científicos escuchar las primeras fusiones de agujeros negros en el universo
"Hace tan solo 10 años, LIGO nos abrió los ojos por primera vez a las ondas gravitacionales y cambió la forma en que la humanidad ve el cosmos", dice Aamir Ali, director de programa en la División de Física de la NSF, que ha apoyado a LIGO desde su inicio. "Hay todo un universo por explorar a través de esta lente completamente nueva y estos últimos descubrimientos demuestran que LIGO apenas está comenzando."
La Colaboración LIGO-Virgo-KAGRA
LIGO está financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y operado por Caltech y el MIT, que juntos concibieron y construyeron el proyecto. El apoyo financiero para el proyecto Advanced LIGO fue liderado por la NSF, con Alemania (Sociedad Max Planck), el Reino Unido (Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas) y Australia (Consejo Australiano de Investigación) haciendo importantes compromisos y contribuciones al proyecto. Más de 1600 científicos de todo el mundo participan en el esfuerzo a través de la Colaboración Científica LIGO, que incluye la Colaboración GEO. Los socios adicionales se enumeran en my.ligo.org/census.php
La Colaboración Virgo actualmente cuenta con aproximadamente 1000 miembros de 175 instituciones en 20 países diferentes (principalmente europeos). El Observatorio Gravitacional Europeo (EGO) alberga el detector Virgo cerca de Pisa, en Italia, y está financiado por el Centro Nacional Francés de Investigación Científica, el Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia, el Instituto Nacional de Física Subatómica de los Países Bajos, la Fundación para la Investigación - Flandes y el Fondo Belga para la Investigación Científica . Puede encontrar una lista de los grupos de la Colaboración Virgo en: https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/
KAGRA es un interferómetro láser con un brazo de 3 kilómetros de longitud en Kamioka, Gifu, Japón. El instituto anfitrión es el Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio, y el proyecto está coorganizado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón y la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía. La colaboración KAGRA está compuesta por más de 400 miembros de 128 institutos en 17 países/regiones.
Escrito por Whitney Clavin/Caltech
Contactos de prensa:
Colaboración LIGO-Virgo-Kagra, Responsable del Grupo de Comunicaciones de LVK,
Susanne Milde +49 172 3931349
Caltech ,Whitney Clavin
626-395-1944
MIT, Abigail Abazorius
617-253-2709
Virgo, Simone Mastrogiovanni
simone.mastrogiovanni@roma1.infn.it
EGO, Vincenzo Napolano
+393472994985
NSF, Jason Stoughton
Asociado de Personal para Comunicaciones Científicas
703-292-7063
KAGRA, Shinji Miyoki
+81-578-85-2623
Publicado en LIGO el 10 de septiembre del 2025, enlace publicación.
