fusión de agujeros negros

En 2015, los detectores LIGO captaron por primera vez el temblor del espacio provocado por la fusión de dos agujeros negros. Desde entonces, se han acumulado cientos de eventos, y cada uno lleva la huella de su linaje: si los agujeros nacieron juntos, de un mismo par de estrellas, o si se encontraron por azar en un cúmulo denso.

En el centro de una galaxia, donde un agujero negro supermasivo hace girar a su alrededor un disco de gas incandescente, a veces nacen estrellas gigantes. No se parecen a las normales: el disco las alimenta continuamente con materia, y la estrella puede crecer hasta alcanzar cientos de masas solares, permaneciendo brillante mientras el flujo de gas no se agote.

Golpea una campana y sonará en su nota. Un agujero negro, tras una perturbación, también suena, solo que en lugar de sonido, es un temblor del propio espacio. Las frecuencias de este tañido pueden revelar mucho sobre el agujero: qué tan rápido rota y cuál es su masa.

Un agujero negro es un laberinto del que no se puede salir. Pero, ¿qué ocurre con la información en su interior? Para comprobarlo, los físicos no viajaron hasta el agujero más cercano, sino que construyeron una diminuta réplica en un procesador cuántico.

Dos agujeros negros, girando en una danza, se acercan cada vez más rápido y finalmente se fusionan en uno solo. Esta danza no es silenciosa: sacude el propio espacio y el tiempo, y por el universo se propagan ondas gravitacionales.

Los detectores de ondas gravitacionales se parecen a oídos muy sensibles: captan el temblor del espacio cuando, en algún lugar del universo, chocan agujeros negros o estrellas de neutrones. Pero incluso los mejores «oídos» no oyen todo. El nuevo proyecto LIGO A# es como cambiar el tímpano por una membrana más fina y sensible.

Una piedra cae en un estanque y se forman círculos en el agua. Con un agujero negro, tras chocar con otro, ocurre algo parecido: emite ondas gravitacionales que recuerdan al tañido amortiguado de una campana.

Un agujero negro es como una peonza que nunca se detiene por sí sola. Pero si a su alrededor aparece una nube de partículas ultraligeras —bosones—, la situación cambia. Esa "niebla" actúa como un freno invisible: las partículas extraen la rotación del agujero, haciendo que se desacelere.

Un puñado de piedritas cae en un estanque: de cada una se expanden círculos. Si las piedras son diferentes, los círculos también lo serán: unos nítidos, otros suaves. Pero cuando miras el agua desde lejos y solo ves una pequeña parte de la ondulación, todas esas diferencias se difuminan.

Cuando dos bolas pesadas se fusionan en una, los círculos se extienden durante mucho tiempo por la superficie del agua. Un agujero negro se comporta de manera similar: después de la fusión, sigue "tañendo" durante un tiempo, emitiendo oscilaciones gravitacionales especiales: los modos cuasinormales.

En algún lugar de las profundidades del cosmos, dos agujeros negros supermasivos giran uno alrededor del otro. Su danza no es suave: la órbita está estirada, como una goma elástica que se tensa y se comprime. Cada vuelta genera ondas en el tejido del espacio-tiempo: ondas gravitacionales.

Una peonza gira tan rápido que el aire a su alrededor comienza a moverse al unísono. Algo similar hace un agujero negro: si rota, puede transferir su energía a las partículas que se encuentren cerca. Este proceso se llama superradiancia — se parece a un eco en las montañas, pero en lugar de sonido, se crean nuevas partículas.

Una tetera hirviendo en la estufa se evapora por completo con el tiempo; así, según las ideas clásicas, un agujero negro debería desaparecer gradualmente entre silbidos de radiación. Pero, ¿y si le añadimos un ingrediente especial a la tetera?

Lanza dos piedras de formas diferentes a un estanque: las ondas en el agua contarán cuál era lisa y cuál era angular. Las ondas gravitacionales funcionan de manera similar: cuando dos objetos superdensos se fusionan, el temblor del espacio-tiempo propaga detalles sobre su estructura interna.

Cuando inflas un globo demasiado rápido, sus paredes empiezan a vibrar. Algo parecido le ocurrió al espacio en los primeros instantes después del Big Bang: el universo se expandía a toda prisa y la propia trama del espacio se llenó de ondulaciones.

La fusión de dos estrellas de neutrones no es solo una colisión. Antes de tocarse, se deforman mutuamente por fuerzas de marea, y esa deformación depende de si la materia interior es 'blanda' o 'rígida'. La materia rígida opone más resistencia; la blanda cambia de forma con más facilidad.

Una nube de polvo cósmico, homogénea y esférica, comienza a contraerse bajo su propia gravedad. En algún momento, según las leyes clásicas, debería colapsar en un punto de densidad infinita: una singularidad.

En algún lugar del centro de una galaxia gira un agujero negro. No flota en el vacío: a su alrededor hay un enjambre invisible de partículas de materia oscura. Hasta ahora, ese enjambre se describía para agujeros estáticos, pero en realidad los agujeros siempre rotan.

Una habitación silenciosa, y en ella hay que distinguir una melodía entre muchos susurros apenas audibles. Así es más o menos la búsqueda de señales de sistemas extremos de dos agujeros negros: uno enorme y el otro millones de veces más pequeño.

Un agujero negro suena como una campana tras el golpe. Ese tañido son las ondas gravitacionales que captan los detectores. Pero, ¿qué cambia si el espacio alrededor del agujero está curvado no solo por su masa, sino también por una corrección cuántica adicional?

Un agujero negro no es una aspiradora eterna. Pierde masa lentamente, emitiendo partículas como una piedra caliente que se enfría y cede calor. Este proceso, descubierto por Stephen Hawking, es apenas perceptible en agujeros grandes, pero en los diminutos — de masa comparable a una montaña — se convierte en una evaporación violenta.

Una piedra cae en un lago tranquilo y ondas concéntricas se extienden por el agua. El espacio alrededor de un cuerpo masivo se comporta de manera similar: si el cuerpo es perfectamente redondo, las perturbaciones que produce son simétricas. Un agujero negro en la relatividad general se asemeja a un espejo de agua perfectamente liso.

Un agujero negro girado casi hasta su límite se parece a un atleta que se equilibra al borde del récord. Lo más interesante no ocurre dentro del agujero, sino en la finísima película del espacio-tiempo en su horizonte.

Un agujero negro clásico es un pozo sin fondo: todo lo que cae más allá del horizonte desaparece en un punto de densidad infinita.

Un agujero negro en el que cae algo podría no limitarse a evaporarse durante miles de millones de años, sino reventar como una burbuja de jabón y convertirse en su opuesto: un agujero blanco. Este escenario lo sugieren experimentos numéricos con gravedad semiclásica.

Una onda gravitacional de la fusión de agujeros negros es como el tañido de una campana en la noche. Por la fuerza del sonido se puede saber lo lejos que está la fuente.

Los cosmólogos se enfrentan a una situación curiosa: dos herramientas fiables dibujan mapas ligeramente diferentes del mismo universo. Una herramienta es el mapa de la luz antigua (la radiación cósmica de fondo), y la otra, el mapa de la distribución de galaxias. En líneas generales coinciden, pero en los detalles discrepan.

Un agujero negro no es solo una aspiradora cósmica. Si rota, puede amplificar las ondas a su alrededor, como un eco de montaña que repite el sonido. Para la materia oscura ultraligera (partículas miles de millones de veces más ligeras que el electrón), este efecto, llamado superradiancia, podría crear una nube enorme.

Un agujero negro en rotación no es un remolino tranquilo. El espacio a su alrededor tiembla y vibra ante la menor perturbación, como la cuerda de una guitarra después de un pellizco. Estas oscilaciones se describen mediante la ecuación de Teukolsky, una construcción matemática compleja que los físicos estudian desde hace medio siglo.

Cuando una estrella muchas veces más pesada que el Sol muere, se contrae y explota como supernova. No es solo un destello de luz: todo el proceso, desde el colapso del núcleo hasta la dispersión de la envoltura, genera una vibración del propio espacio. Estas ondas se denominan gravitacionales.

Dos agujeros negros giran en una danza cósmica, acercándose en espiral. Al final se fusionan en uno solo —y ese instante produce una potente ráfaga de ondas gravitacionales, una ondulación del propio espacio-tiempo. ¿Y qué queda tras la fusión?

Dos agujeros negros giran en una danza cósmica, acercándose en espiral. Al final se fusionan en uno solo —y ese instante produce una potente ráfaga de ondas gravitacionales, una ondulación del propio espacio-tiempo. ¿Y qué queda tras la fusión?

Se puede enviar un pulso de radio corto hacia un agujero negro y esperar el eco reflejado. Parecería que cuanto más corta sea la señal, mejor sondeará los detalles más finos del espacio cerca del horizonte, esa región de la que ni siquiera la luz escapa. Pero la naturaleza tiende una trampa: una onda ultracorta atraviesa casi por completo la barrera gravitatoria y se pierde dentro del agujero.

Un agujero negro no es solo un abismo. Es un caldero ardiente cuya temperatura aumenta a medida que se evapora. Los autores del estudio descubrieron que cuando el calor alcanza un umbral crítico, el agujero parece hervir.

En los oscuros confines de nuestra galaxia, lejos de los brillantes cúmulos estelares, se esconden millones de agujeros negros. Son invisibles: no emiten luz ni absorben materia de manera notable. Los métodos de búsqueda habituales, diseñados para campos estelares densos, son inútiles aquí. Se necesita otro enfoque.

Cuando dos agujeros negros se fusionan, el objeto recién nacido vibra como una campana. Ese tañido son ondas gravitacionales de un tipo especial que los astrónomos llaman modos cuasinormales (oscilaciones amortiguadas particulares). Se apagan rápido, pero alcanzan a contar la masa y el giro del agujero.

El objeto cósmico gira, pero su sombra no es redonda. Los astrofísicos examinaron un agujero negro en una versión inusual de la gravedad: el llamado mundo brana (donde nuestro Universo es una superficie tridimensional en un espacio de más dimensiones).

Cuando dos agujeros negros se fusionan, ondas expansivas recorren el tejido del espacio-tiempo: las ondas gravitacionales. Pero, ¿y si en lugar de uno de ellos no hubiera un agujero negro común, sino algo distinto, un objeto compacto exótico?

En el centro de nuestra galaxia vive el agujero negro supermasivo Sagitario A*. Si un compañero invisible gira a su alrededor, su danza se puede notar por la luz de otras estrellas. La gravedad de este par actúa como una lente: cuando los agujeros negros pasan frente a una estrella de fondo, su luz se amplifica momentáneamente y se duplica.

Un agujero negro no solo gira: está rodeado de cerdas hechas de un campo adicional (el campo de Kalb-Ramond). En el artículo se investiga cómo se comporta un campo masivo (ondas con masa) cerca de un agujero negro de este tipo cuando este ha alcanzado casi el límite de velocidad de rotación.