Confirmadas, después de una década de detecciones, las ideas de Einstein y Hawking sobre las ondas gravitacionales

El problema era que esas 'ondas' eran tan débiles que parecían imposibles de detectar, hasta el punto que el propio Einstein llegó a dudar de su existencia. Durante décadas, sin embargo, las ondas gravitacionales siguieron siendo una elegante predicción matemática, aunque sin una confirmación experimental. Hasta que, por fin, hace diez años, fueron detectadas por primera vez

El 14 de septiembre de 2015, investigadores del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO), de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU, captaron por primera vez estas sutiles ondulaciones del espacio-tiempo. Y tras un minucioso análisis de sus resultados, hicieron público su hallazgo un año más tarde, el 11 de febrero de 2016.

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Sugiere que las propias fluctuaciones cuánticas del espacio-tiempo, en forma de ondas gravitacionales, fueron suficientes para sembrar las semillas de las estructuras cósmicas que vemos en la actualidad

Aquel 'silbido' fugaz, que había viajado durante 1.300 millones de años antes de llegar a la Tierra, era el eco de una colisión cósmica: dos agujeros negros que, tras una larga 'danza gravitatoria, se habían fusionado en uno más grande. Un acontecimiento violento, que sacudió el tejido del Universo igual que un mazo sacude la piel de un tambor, haciéndolo vibrar. El histórico logro no sólo validaba una de las últimas grandes profecías de Einstein, sino que inauguraba una nueva era de la astronomía. Si hasta entonces habíamos observado el Universo solo a través las distintas longitudes de onda de su luz, desde los rayos X y gamma hasta las ondas de radio, ahora podíamos también 'escucharlo' a través de sus vibraciones más fundamentales. Los autores de aquella histórica detección fueron galardonados con el Premio Nobel de Física apenas un año después, en 2017.

Por supuesto, ese fue solo el principio de lo que hoy ha dado en llamarse 'astronomía de ondas gravitacionales'. Desde aquella primera detección, en efecto, el observatorio LIGO, formado por dos detectores de 4 y 2 km de largo separados por una distancia de 3.000 km (uno en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Louisiana), ha unido fuerzas con otras instalaciones internacionales, como el detector Virgo en Italia y KAGRA en Japón. Juntos, hoy forman la red LVK, una auténtica 'red de caza' de ondas gravitacionales que, en la actualidad, detecta una fusión de agujeros negros cada tres días. En total, la red ha documentado cerca de 300 fusiones, más del doble que en sus tres primeras campañas de observación.

Pero de entre todos estos hallazgos, uno de los más recientes destaca por su claridad y trascendencia. Se trata de la fusión GW250114, detectada el 14 de enero de 2025. Aunque es prácticamente gemela de aquella primera detectada en 2015, con agujeros negros a 1.300 millones de años luz de distancia y masas entre 30 y 40 veces la de nuestro Sol, la señal de GW250114 es exponencialmente más nítida.

¿La razón? Los avances tecnológicos han reducido el 'ruido' de los instrumentos al máximo, lo que permitió una observación de una precisión sin precedentes. En palabras de Maximiliano Isi, de la Universidad de Columbia y coautor de un estudio recién publicado por 'Physical Review Letters' «el nuevo par de agujeros negros son casi gemelos de la histórica primera detección en 2015. Pero los instrumentos son mucho mejores, por lo tanto, estamos en condiciones de analizar la señal de formas que simplemente no eran posibles hace 10 años».

«Escuchamos la señal alto y claro -dice por su parte Katerina Chatziioannou, investigadora del Caltech y también coautora del artículo- y eso nos permite poner a prueba las leyes fundamentales de la física». El eco nítido de GW250114, de hecho, ha servido para resolver dos de los mayores enigmas de la física de agujeros negros: la validez del Teorema del Área de Stephen Hawking y la naturaleza simple de los agujeros negros, descrita por el matemático Roy Kerr.

Hace más de cincuenta años, en 1971, Stephen Hawking formuló el teorema del área, un principio que, en su aparente simplicidad, ocultaba una profunda verdad. Su teoría afirmaba que el área total del horizonte de sucesos de un agujero negro (la frontera a partir de la cual ni siquiera la luz puede escapar) nunca puede disminuir. Es decir, cuando dos agujeros negros se fusionan, el área del agujero negro resultante debe ser siempre mayor que la suma de las áreas de sus precursores. Es como si la masa se uniera y el área creciera, a pesar de que parte de la energía se pierde en forma de ondas gravitacionales. Los datos de GW250114 han confirmado la idea del genial físico británico con una asombrosa certeza del 99,999%.

Más tarde, Hawking y el físico Jacob Bekenstein relacionaron esta idea con la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía, o el desorden de un sistema, nunca puede disminuir. La analogía sugiere que el área del agujero negro es proporcional a su entropía, lo que abre un nuevo camino para 'conectar' la Relatividad General con la física cuántica, las dos grandes teorías que describen la realidad en que vivimos, desde lo más grande a lo más pequeño pero que, sorprendentemente, nadie hasta ahora ha conseguido conciliar. Unirlas en un único cuerpo teórico constituye uno de los mayores desafíos de la ciencia moderna.

El segundo gran enigma resuelto se relaciona con la métrica de Kerr. En 1963, el matemático Roy Kerr encontró una solución a las ecuaciones de Einstein que describía a la perfección cómo debía ser la estructura del espacio-tiempo alrededor de un agujero negro en rotación. Su hallazgo sugería que, sin importar lo caótico que sea su proceso de formación, un agujero negro 'relativamente' sencillo puede describirse con solo dos propiedades: su masa y su giro. La detección de GW250114, y la claridad de sus datos han demostrado que, en efecto, los agujeros negros se comportan exactamente como Kerr predijo.

Para entender este concepto, imaginemos que un agujero negro es como una gran campana cósmica. Cuando un agujero negro colisiona con otro, se distorsiona y luego 'suena' con una vibración característica a medida que se asienta. A este sonido, una especie de 'eco' final, los científicos lo llaman 'ringdown'. Gracias a la asombrosa sensibilidad de los detectores, los investigadores de LVK pudieron, por primera vez, aislar dos de estos 'modos' o tonos de vibración, demostrando así que su comportamiento coincide a la perfección con los modelos matemáticos de Kerr. Es un eco final que confirma la belleza y sencillez de la Relatividad General.

Para poder 'escuchar' estas vibraciones casi imperceptibles, los científicos e ingenieros de LIGO tuvieron que superar desafíos tecnológicos enormes. Las ondas gravitacionales que llegan a la Tierra, por ejemplo, causan una deformación del espacio-tiempo tan pequeña que los detectores de LIGO tienen que medir cambios de distancia inferiores a 1/10.000 del ancho de un protón. Y para lograrlo, los científicos han tenido que desarrollar tecnologías de vanguardia que, inevitablemente, han terminado por encontrar aplicaciones en otros campos.

Una de estas innovaciones es la llamada técnica de Pound-Drever-Hall, un método desarrollado en la década de los 80 para estabilizar la frecuencia de los láseres con una precisión extrema, lo que resulta fundamental para el funcionamiento de un interferómetro como LIGO. Esta técnica se utiliza hoy en día en dispositivos tan diversos como los relojes atómicos o los ordenadores cuánticos. También han incorporado el 'apretamiento cuántico' (quantum squeezing), una técnica que permite a LIGO superar los límites de sensibilidad impuestos por la física cuántica, al reducir el 'ruido' intrínseco de los fotones. En la práctica, es como si se 'apretara' una onda de luz, reduciendo la incertidumbre en una de sus propiedades para aumentar la certeza en la otra, lo que permite mediciones más precisas.

Gracias a estas innovaciones, los observatorios de ondas gravitacionales están en constante mejora. En palabras de Jenne Driggers, científica del LIGO en Hanford, «se necesita toda una 'aldea global' para alcanzar nuestros objetivos científicos». Y la red LVK es precisamente eso. Con la adición de KAGRA y Virgo, la red puede triangular la posición de la fuente de las ondas en el cielo con mucha mayor precisión, lo que es vital para la 'astronomía de mensajeros múltiples', es decir, aquella que no se basa sólo en el análisis de la luz sino, por ejemplo, en ondas gravitacionales o neutrinos.

Aunque la mayoría de las detectadas proceden de la fusión de agujeros negros, existen otros fenómenos que también son capaces de generarlas. De hecho, la red LVK también ha detectado colisiones entre estrellas de neutrones, los remanentes ultradensos de estrellas masivas. El evento más espectacular hasta la fecha, denominado GW170817, fue la colisión épica de dos estrellas de neutrones que tuvo lugar en agosto de 2017. Esta 'kilonova', como se conoce a estas fusiones, liberó elementos pesados como oro y platino y generó simultáneamente ondas gravitacionales y radiación electromagnética (luz, rayos gamma, etc.), por lo que también pudo ser observada con telescopios convencionales. Por primera vez en la historia, astrónomos de todo el mundo pudieron apuntar decenas de telescopios hacia un mismo evento cósmico, marcando el inicio de una nueva era de la astronomía.

Otros descubrimientos de la red LVK incluyen las primeras detecciones de colisiones entre una estrella de neutrones y un agujero negro, fusiones asimétricas (en las que un agujero negro es mucho más masivo que su compañero), así como el descubrimiento de los agujeros negros más ligeros conocidos, y la fusión más masiva jamás vista, que creó un agujero negro con una masa combinada de 225 veces la de nuestro Sol.

Con todo, y en cuanto a ondas gravitacionales se refiere, lo mejor está aún por llegar. Y es que, hasta ahora, los científicos sólo han conseguido detectar las ondas más 'gruesas', las vibraciones que surgen de eventos de gran violencia. Pero las hay mucho más sutiles, como las que se supone que generó el propio Big Bang y que hoy son tan débiles que están fuera de nuestro alcance. Por eso, los científicos de la red LVK esperan seguir perfeccionando sus máquinas, expandiendo su alcance y su precisión. En esta línea, ya están en marcha, por ejemplo, los planes para construir un tercer observatorio LIGO en la India (LIGO India), lo que mejorará aún más la precisión con la que se pueden localizar las fuentes de las ondas gravitacionales.

Mirando aún más lejos, la comunidad científica ya trabaja también en el diseño de toda una nueva generación de detectores. El proyecto estadounidense Cosmic Explorer, en efecto, propone detectores con brazos de 40 kilómetros (diez veces más largos que los de LIGO), mientras que el proyecto europeo Einstein Telescope planea construir dos interferómetros subterráneos con brazos de más de 10 kilómetros. Este tipo de observatorios permitiría a los científicos remontarse muchos miles de millones de años en el pasado, a un tiempo en el que las primeras galaxias apenas comenzaban a formarse.

Hace apenas una década, LIGO nos abrió los ojos a las ondas gravitacionales y cambió la forma en que la humanidad ve el cosmos. «Hay un Universo entero por explorar a través de esta lente completamente nueva -afirma Aamir Ali, director de programa en la División de Física de la NSF-. Y estos últimos descubrimientos demuestran que LIGO apenas está empezando».