El nuevo catálogo duplica con creces el número de detecciones de ondas gravitacionales realizadas por los observatorios LIGO, Virgo y KAGRA.

La última oleada de oscilaciones espacio-temporales incluye una variedad de agujeros negros masivos, de rápida rotación y asimétricos que colisionan.

Por Jennifer Chu, Noticias del MIT

Cuando los objetos más densos del universo colisionan y se fusionan, la violencia genera ondas gravitacionales que se propagan a través del espacio y el tiempo durante cientos de millones e incluso miles de millones de años. Para cuando atraviesan la Tierra, estas ondas cósmicas son apenas perceptibles.

Ilustración de un par de agujeros negros fusionándose con masas diferentes. La gravedad de los agujeros negros deforma y retuerce la luz a su alrededor. Crédito: Carl Knox, OzGrav, Universidad Tecnológica de Swinburne.

Sin embargo, los científicos pueden detectarlas gracias a una red global de observatorios de ondas gravitacionales: el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF LIGO), con sede en Estados Unidos; el interferómetro Virgo, en Italia; y el Detector de Ondas Gravitacionales de Kamioka (KAGRA), en Japón. En conjunto, estos observatorios "escuchan" las débiles oscilaciones en el campo gravitacional que podrían provenir de colisiones astrofísicas lejanas.

La colaboración LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) publica su última recopilación de detecciones de ondas gravitacionales, que se presentará en un próximo número especial de Astrophysical Journal Letters . Según los hallazgos, parece que el universo resuena con un caleidoscopio de colisiones cósmicas.

El Catálogo de Transitorios de Ondas Gravitacionales 4.0 (GWTC-4) del LVK comprende detecciones de ondas gravitacionales de una parte de la cuarta y más reciente campaña de observación de los observatorios, que tuvo lugar entre mayo de 2023 y enero de 2024. Durante este período de nueve meses, los observatorios detectaron 128 nuevos "candidatos" a ondas gravitacionales, lo que significa que las señales probablemente provienen de fuentes astrofísicas extremas y distantes. (El LVK ha detectado hasta ahora unas 300 fusiones en la cuarta campaña, pero no todas aparecen aún en el catálogo del LVK).

Esta nueva tanda de datos duplica con creces el tamaño del catálogo de ondas gravitacionales, que anteriormente contenía 90 candidatos recopilados a partir de las tres campañas de observación anteriores.

“La fascinante ciencia que podemos desarrollar con este catálogo es posible gracias a mejoras significativas en la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales, así como a técnicas de análisis más potentes”, afirma Nergis Mavalvala, miembro del LVK, decano de la Facultad de Ciencias del MIT y profesor titular de Astrofísica (Cátedra Curtis y Kathleen Marble).

«En la última década, la astronomía de ondas gravitacionales ha progresado desde la primera detección hasta la observación de cientos de fusiones de agujeros negros», afirma Stephen Fairhurst, profesor de la Universidad de Cardiff y portavoz de la Colaboración Científica LIGO. «Estas observaciones nos permiten comprender mejor cómo se forman los agujeros negros a partir del colapso de estrellas masivas, investigar la evolución cosmológica del universo y proporcionar confirmaciones cada vez más rigurosas de la teoría de la relatividad general».

“Superando los límites”

Los agujeros negros se crean cuando toda la materia de una estrella moribunda colapsa en un solo punto. Por lo tanto, se encuentran entre los objetos más densos del universo. Suelen formarse en pares, unidos por la atracción gravitatoria. A medida que giran en espiral uno hacia el otro, emiten enormes cantidades de energía en forma de ondas gravitacionales, antes de fusionarse en un agujero negro más masivo.

Un sistema binario de agujeros negros fue la fuente de la primera detección de ondas gravitacionales, realizada por los observatorios LIGO de la NSF en 2015 , y la colisión de agujeros negros es la fuente de muchas de las ondas gravitacionales detectadas desde entonces. Estos sistemas binarios, conocidos como "sistemas básicos", suelen consistir en dos agujeros negros de tamaño similar (generalmente varias decenas de veces más masivos que el Sol) que se fusionan en un agujero negro de mayor tamaño.

Las ondas gravitacionales también pueden producirse por la colisión de un agujero negro con una estrella de neutrones, que es el núcleo remanente extremadamente denso de una estrella masiva. Si bien la colisión de dos agujeros negros solo produce ondas gravitacionales, una colisión que involucre a una estrella de neutrones también puede generar luz, lo que proporciona más información sobre el evento que los científicos pueden investigar. En sus tres primeras fases de observación, los observatorios LVK detectaron señales de varias colisiones entre un agujero negro y una estrella de neutrones, así como dos colisiones entre dos estrellas de neutrones.

Las últimas detecciones publicadas hoy revelan una mayor variedad de sistemas binarios que producen ondas gravitacionales. Además de los sistemas binarios de agujeros negros, el catálogo actualizado incluye el sistema binario de agujeros negros más masivo; un sistema binario con agujeros negros de masas asimétricas y desiguales; y un sistema binario donde ambos agujeros negros tienen espines excepcionalmente altos. El catálogo también incluye dos sistemas binarios de agujeros negros y estrellas de neutrones.

«El mensaje de este catálogo es: nos estamos adentrando en nuevas partes de lo que llamamos "espacio de parámetros" y descubriendo una variedad completamente nueva de agujeros negros», afirma el coautor Daniel Williams, investigador de la Universidad de Glasgow y miembro del LVK. «Estamos realmente explorando los límites y observando objetos más masivos, que giran más rápido y que son astrofísicamente más interesantes e inusuales».

Señales inusuales

Los observatorios LIGO, Virgo y KAGRA detectan ondas gravitacionales mediante instrumentos en forma de L, de un kilómetro de longitud, llamados interferómetros. Los científicos envían luz láser a lo largo de cada túnel y miden con precisión el tiempo que tarda cada haz en regresar a su fuente. Cualquier mínima diferencia en la sincronización puede indicar que una onda gravitacional pasó a través del túnel y provocó una leve oscilación en la luz del láser.

En la primera fase de la cuarta ronda de observación del LVK, las detecciones de ondas gravitacionales se realizaron utilizando únicamente los interferómetros idénticos de LIGO: uno ubicado en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Luisiana. Las recientes mejoras en los detectores de LIGO les permitieron buscar señales de estrellas de neutrones binarias a una distancia de hasta 360 megaparsecs, o aproximadamente mil millones de años luz, y señales de sistemas binarios que incluyen agujeros negros a distancias decenas de veces mayores.

“Nunca se puede predecir cuándo una onda gravitacional llegará a nuestro detector”, afirma Amanda Baylor, coautora y miembro del LVK, estudiante de posgrado de la Universidad de Wisconsin en Milwaukee, quien participó en el proceso de búsqueda de la señal. “Podríamos tener cinco detecciones en un día, o una cada 20 días. El universo es impredecible”.

Entre las señales más inusuales que LIGO detectó en la primera fase de la observación O4 se encontraba GW231123_135430, el sistema binario de agujeros negros más masivo detectado hasta la fecha. Los científicos estiman que la señal surgió de la colisión de dos agujeros negros más masivos de lo normal, cada uno con una masa aproximadamente 130 veces mayor que la del Sol. (La mayoría de los agujeros negros que se han detectado fusionándose tienen alrededor de 30 masas solares). Los agujeros negros mucho más masivos de GW231123_135430 sugieren que cada uno podría ser producto de una colisión previa de agujeros negros "progenitores" más ligeros.

Otro caso destacable es GW231028_153006, un sistema binario de agujeros negros con la mayor velocidad de rotación en espiral, lo que significa que ambos agujeros negros parecen girar muy rápido, a aproximadamente el 40 % de la velocidad de la luz. Los científicos sospechan que estos agujeros negros también fueron producto de fusiones previas que aceleraron su rotación al formarse a partir de dos agujeros negros más pequeños que giraban en espiral.

La ejecución de O4 también detectó GW231118_005626, un par inusualmente desequilibrado, con un agujero negro que tiene el doble de masa que el otro.  

“Una de las características más llamativas de nuestra colección de agujeros negros es su amplia gama de propiedades”, afirma Jack Heinzel, coautor del estudio y miembro del LVK, estudiante de posgrado del MIT que contribuyó al análisis del catálogo. “Algunos tienen más de 100 veces la masa de nuestro sol, otros son tan pequeños como unas pocas veces su masa. Algunos agujeros negros giran rápidamente, otros no tienen un giro detectable. Todavía no comprendemos del todo cómo se forman los agujeros negros en el universo, pero nuestras observaciones ofrecen una perspectiva crucial para abordar estas cuestiones”.

Conexiones cósmicas

A partir de las detecciones más recientes de ondas gravitacionales, los científicos han comenzado a establecer conexiones sobre las propiedades de los agujeros negros como un conjunto de ellos.

“Por ejemplo, este conjunto de datos ha reforzado nuestra convicción de que los agujeros negros que colisionaron al principio de la historia del universo podrían haber tenido espines mayores con mayor facilidad que los que colisionaron más tarde”, afirma Salvatore Vitale, miembro del LVK, profesor asociado de física en el MIT y miembro del Laboratorio LIGO del MIT.

Esta idea plantea interrogantes interesantes sobre qué tipo de condiciones podrían haber propiciado la formación de agujeros negros en el universo primitivo.

Los nuevos hallazgos también han permitido a los científicos poner a prueba la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que describe la gravedad como una propiedad geométrica del espacio y el tiempo.

«Los agujeros negros son una de las predicciones más emblemáticas e impactantes de la relatividad general», afirma el coautor y miembro del LVK, Aaron Zimmerman, profesor asociado de física en la Universidad de Texas en Austin. Añade que, cuando los agujeros negros colisionan, «perturban el espacio y el tiempo con mayor intensidad que casi cualquier otro proceso que podamos imaginar. Al poner a prueba nuestras teorías físicas, conviene analizar las situaciones más extremas posibles, ya que es ahí donde es más probable que fallen y donde tenemos mayores posibilidades de descubrimiento».

Los científicos pusieron a prueba la teoría de Einstein utilizando GW230814_230901, una de las señales de ondas gravitacionales más intensas observadas hasta la fecha. La sorprendente claridad de la señal les permitió analizarla en detalle para determinar si algún aspecto se desviaba de las predicciones de la teoría de Einstein. Esta señal puso a prueba los límites de sus experimentos de relatividad general, superando la mayoría con éxito, pero demostrando cómo el ruido ambiental puede dificultar otros en un escenario tan extremo.

“Hasta ahora, la teoría está superando todas nuestras pruebas”, dice Zimmerman. “Pero también estamos aprendiendo que tenemos que hacer predicciones aún más precisas para estar al día con todos los datos que nos proporciona el universo”.

El catálogo actualizado también está ayudando a los científicos a esclarecer un misterio clave de la cosmología: ¿A qué velocidad se expande el universo hoy en día? Los científicos han intentado responder a esta pregunta midiendo una tasa conocida como la constante de Hubble. Diversos métodos, utilizando diferentes fuentes astrofísicas, han dado resultados contradictorios.

Las ondas gravitacionales ofrecen una forma alternativa de medir la constante de Hubble, ya que los científicos pueden calcular, de manera relativamente sencilla, la distancia que recorrieron estas ondas desde su origen.

«Los agujeros negros en fusión poseen una propiedad realmente única: podemos determinar su distancia a la Tierra simplemente analizando sus señales», afirma Rachel Gray, coautora y miembro del LVK, profesora de la Universidad de Glasgow que participó en las interpretaciones cosmológicas de los datos del catálogo. «Así, cada agujero negro en fusión nos proporciona una medición de la constante de Hubble, y al combinar todas las fuentes de ondas gravitacionales, podemos mejorar enormemente la precisión de esta medición».

Tras analizar todas las detecciones de ondas gravitacionales en el catálogo completo del LVK, los científicos han obtenido una nueva estimación independiente de la constante de Hubble, que sugiere que el universo se está expandiendo a un ritmo de 76 kilómetros por segundo por megaparsec (un volumen cuadrado de aproximadamente quinientos millones de años luz de ancho).

“Este método aún está en sus primeras etapas, y esperamos mejorar significativamente nuestra precisión a medida que detectemos más fuentes de ondas gravitacionales”, afirma Gray.

“Cada nueva detección de ondas gravitacionales nos permite desvelar otra pieza del rompecabezas del universo de maneras que no podíamos hace tan solo una década”, afirma Lucy Thomas, quien dirigió parte del análisis del catálogo y es investigadora postdoctoral en el Laboratorio LIGO de Caltech. “Es increíblemente emocionante pensar en los misterios y sorpresas astrofísicas que podremos descubrir con futuras campañas de observación”.

Publicado en LIGO el 5 de marzo del 2026, enlace publicación.