El 14 de septiembre de 2015, uno de los eventos m√°s poderosos del universo produjo una se√Īal peque√Īita en un par de detectores de ondas gravitacionales, uno en Louisiana y otro en el estado de Washington, Estados Unidos. Hab√≠an detectado una pareja de objetos de por s√≠ imponentes, dos agujeros negros, chocando entre s√≠.

Probablemente visualices los agujeros negros como aspiradoras c√≥smicas, pero son un poco m√°s complejos que eso. Un punto central de la teor√≠a de la gravitaci√≥n de Einstein es que los objetos suficientemente pesados cambian la forma del espacio que los rodea, y la gravedad es la forma en que experimentamos esta deformaci√≥n. Los agujeros negros son regiones del espacio tan peque√Īas y masivas que representan un punto de no retorno, un ‚Äúhorizonte de eventos‚ÄĚ m√°s all√° del cual el espacio est√° tan deformado que todo lleva al centro del agujero negro. Nada, ni siquiera la luz, puede escapar.

Así que, cuando dos agujeros negros colisionan, puedes imaginar que algo grande sucede. De hecho, los científicos han medido el resultado varias veces utilizando los Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser, o LIGO, así como el detector Virgo. Les hemos pedido a varios científicos que nos expliquen lo que ocurre.

Imre Bartos. Físico, profesor asistente de la Universidad de Florida y miembro de la Colaboración Científica LIGO:

Cuando un agujero negro se acerca a otro, ambos se funden en un agujero negro más grande. El nuevo radio del agujero negro es aproximadamente la suma de los dos radios originales, lo que hace que el nuevo agujero negro abarque un volumen mucho más grande. La fusión es algo así como lo que dos gotas de agua harían en el espacio al acercarse.

Los agujeros negros emiten grandes cantidades de ondas gravitacionales a medida que se fusionan. Esto puede convertir un peque√Īo porcentaje de su masa en energ√≠a pura irradiada como ondas gravitacionales.

Detectamos la colisi√≥n de dos agujeros negros por primera vez hace no mucho, en 2015, tras la construcci√≥n de los observatorios de ondas gravitacionales Advanced LIGO. Con las continuas mejoras tecnol√≥gicas, pasaremos de esta primera detecci√≥n a un descubrimiento semanal en los pr√≥ximos a√Īos. Si bien observamos estas colisiones, a√ļn no sabemos qu√© proceso c√≥smico acerca a los agujeros negros para que puedan colisionar. Observar estas colisiones tambi√©n puede ayudarnos a responder una serie de preguntas sobre los agujeros negros, como por qu√© funcionan como aceleradores de part√≠culas c√≥smicas, o si la Teor√≠a de la Relatividad General de Einstein es una descripci√≥n correcta de su naturaleza. Las colisiones entre agujeros negros pueden incluso ayudarnos a trazar un mapa de c√≥mo se est√° expandiendo el universo.

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Sabine Hossenfelder. Física teórica en el Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt, en Alemania, autora y bloguera que investiga la gravedad cuántica:

Son puras deformaciones espacio-temporales definidas por el horizonte de eventos que limita una región de la que nada puede escapar.

En el caso m√°s simple, el horizonte de un agujero negro es esf√©rico. Si dos agujeros negros se acercan demasiado, estas esferas se fusionar√°n y formar√°n una esfera m√°s grande. Despu√©s de la fusi√≥n, la esfera se tambalear√° un tiempo hasta establecerse, lo que se denomina ‚Äúringdown‚ÄĚ. Tanto la fusi√≥n como esta fase de estabilizaci√≥n producen ondas gravitacionales. La se√Īal de onda gravitacional no solo contiene informaci√≥n sobre agujeros negros que se fusionaron, sino que adem√°s nos permite probar si entendemos correctamente c√≥mo se dobla el espacio-tiempo en circunstancias tan extremas. Por lo que sabemos, Einstein ten√≠a raz√≥n.

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Oliver Jennrich. Científico de la misión de física fundamental de la Agencia Espacial Europea que trabaja en el experimento LISA:

Los agujeros negros emiten ondas gravitacionales y se fusionan en un agujero negro m√°s grande. Pero ese no es el final de la historia. La historia generalmente comienza con dos estrellas que se orbitan entre s√≠, al igual que la Tierra orbita alrededor del Sol. Si se cumplen las condiciones adecuadas, las dos estrellas se convertir√°n en agujeros negros cuando su combustible se gaste. Los dos agujeros negros se mantendr√°n en √≥rbita y reducir√°n la distancia hasta chocar. En otras palabras: necesitan perder energ√≠a. Para los agujeros negros, la √ļnica forma de hacerlo es emitiendo ondas gravitacionales. Vuelta a vuelta, el sistema de dos agujeros negros va emitiendo ondas gravitacionales y su √≥rbita se va reduciendo. Cuanto m√°s se acercan, m√°s eficientes se convierten en la emisi√≥n de ondas gravitacionales, es decir, la √≥rbita se reduce cada vez m√°s r√°pido, mientras que la cantidad de ondas gravitacionales se hace m√°s y m√°s grande. Esto se llama la fase inspiral.

En alg√ļn momento, los dos agujeros negros est√°n tan cerca uno del otro que su atracci√≥n gravitatoria mutua comienza a deformarlos, lo que los acerca a√ļn m√°s hasta que se unen y se convierten en un objeto con forma de cacahuete. Al igual que una burbuja de jab√≥n muy alargada, este agujero negro en forma de cacahuete se tambalea y oscila y, finalmente, recupera una forma esf√©rica. Esta es la fase posterior a la fusi√≥n o fase de anillamiento durante la cual el nuevo agujero negro que se tambalea y emite ondas gravitacionales muy caracter√≠sticas.

La masa del agujero trasero reci√©n formado suele ser un poco m√°s peque√Īa que la suma de las masas de los dos agujeros negros iniciales: el resto ha sido irradiado por ondas gravitacionales, la mayor parte durante la fase de fusi√≥n. Como las masas iniciales de los agujeros negros pueden ser enormes (millones de veces la masa de nuestro Sol), incluso un peque√Īo porcentaje de esa masa constituye una cantidad muy grande de energ√≠a. De hecho, la fusi√≥n de dos agujeros negros es el evento m√°s poderoso del Universo, m√°s poderoso que el resto del universo combinado. [Nota del editor: ‚Äúpoderoso‚ÄĚ aqu√≠ hace referencia a la velocidad a la que se libera la energ√≠a.] Sin embargo, los efectos de esa cantidad de energ√≠a tit√°nica son muy peque√Īos: las ondas gravitacionales de tales eventos cambiar√≠an la distancia entre el Sol y la Tierra lo mismo que mide el di√°metro de un √°tomo de hidr√≥geno.

Los detectores de ondas gravitacionales terrestres, como LIGO y Virgo, son de tama√Īo kilom√©trico y capaces de medir las se√Īales que se emiten al fusionar un agujero negro de hasta 30 veces la masa del Sol. Al final de la fase inspiral, los agujeros negros se mueven al 60% de la velocidad de la luz y las ondas gravitacionales resultantes est√°n en el rango de los 100-300 Hz. Para observar agujeros negros mucho m√°s pesados, se necesitan observaciones a frecuencias m√°s bajas. En la Tierra, esas se√Īales est√°n enmascaradas por el ruido causado por los terremotos, el clima y la gente. Por esta raz√≥n, LISA, una misi√≥n liderada por la ESA, detectar√° ondas gravitacionales desde el espacio, utilizando tres naves espaciales separadas por 2 millones de kil√≥metros para registrar ondas gravitacionales en el rango de frecuencia de 30 mHz a 0,1 Hz.ÔĽŅ

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Jillian Bellovary. Astrofísico teórico y profesor asistente en el Queensborough Community College:

Cuando dos agujeros negros chocan entre s√≠, hacen un agujero negro m√°s grande. Sin embargo, la masa del agujero negro m√°s grande NO es la suma de las masas de los dos m√°s peque√Īos. Es un poco menos, porque parte de su masa se convierte en energ√≠a y se irradia en ondas gravitacionales. Sabemos que esto es cierto porque hemos detectado estas ondulaciones en la estructura del espacio-tiempo con el detector LIGO.

Algo que tambi√©n creemos que es cierto (pero no hemos observado todav√≠a) es que despu√©s de la fusi√≥n, el nuevo gran agujero negro recibe un ‚Äúempuj√≥n‚ÄĚ y se aleja en una direcci√≥n (aparentemente aleatoria). La velocidad y la direcci√≥n dependen de las propiedades del sistema binario de agujeros negros antes de fusionarse.

Parte de mi investigación sobre encontrar agujeros negros masivos en galaxias enanas depende de cuán eficiente sea este empujón; si el agujero negro es expulsado de la galaxia (o simplemente es expulsado del centro, haciendo que deambule por las afueras), es mucho más difícil de encontrar, pero estoy tratando de encontrar maneras de localizar estos negros errantes.