Científicos detectan por primera vez tonos en el sonido del nacimiento de un agujero negro

Los resultados respaldan la teoría de Einstein y la idea de que los agujeros negros no tienen «pelaje».

Escrito por Jennifer Chu en MIT News

Si es que la teoría de la relatividad de Albert Einstein es verdadera, entonces un agujero negro, nace de súbitas colisiones temblorosas entre dos enormes agujeros negros, lo que genera como resultado su creación, produciendo ondas gravitacionales con sonidos similares a los de campanadas. Einstein predijo que el particular tono y caída de estas ondas gravitacionales serían la evidencia directa de una formación nueva de un agujero negro, su giro y su masa.

Ahora, los físicos de MIT y de otras partes del mundo han estudiado el sonido de un agujero negro nuevo, y han encontrado patrones de lo que este sonido hace, de hecho, han podido predecir en base a ello la masa y el giro de dichos agujeros, más evidencia de que Einstein tenía toda la razón.

Los descubrimientos, publicados recientemente en Physical Review Letters, también respaldan la idea de que los agujeros negros carecen de «pelaje» una metáfora para referirse a la idea de que los agujeros negros, de acuerdo a la teoría Einstein, deben exhibir sólo tres propiedades observables: masa, giro y carga eléctrica. Todas las características, que el físico John Wheeler denominó como “pelaje,” que debe ser tragado por el agujero en negro en sí, y por ende debe ser inobservable.

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Los descubrimientos del equipo, ahora apoyan la idea de que los agujeros negros son, de hecho, lampiños. Los investigadores pudieron identificar los patrones de sonido de sonido y, usando las ecuaciones de Einstein, calcularon la masa y el giro que el agujero negro debería tener, basándose en su patrón de sonido. Estos cálculos coincidieron con las medidas de la masa y el giro realizadas previamente por otros físicos.

Si los cálculos del equipo se hubiesen desviado significativamente de las medidas previas, hubiesen sugerido que el sonido del agujero negro codifica las propiedades de la masa, el giro y su carga eléctrica. Evidencia tentativa de la física más allá de lo que la teoría de Einstein pueda explicar. Pero resultó que, los patrones del sonido son una característica directa de us masa y giro, apoyando a la noción que los agujeros negros son de gigantes de «rostro lampiño», careciendo de cualquier propiedad extraña similar al pelaje.

“Todos esperábamos que la relatividad general sea correcta, pero es la primera vez que hemos confirmado que es así,” dice el estudio liderado por Maximiliano Isi, un miembro de la NASA Einstein Fellow en el Instituto Kavli de Investigación del Espacio y Astrofísica. “Este es la primera medida experimental que exitosamente comprobó de manera directa el teorema de la carencia del pelaje. Eso no quiere decir que los agujeros negros no puedan tener pelaje. Significa que las fotografías de agujeros negros sin pelaje vivirán por un día más.”

En Septiembre 14 del 2015, científicos detectaron por primera vez las ondas gravitacionales, ondas infinitesimales en tiempo y espacio, emanadas desde la distancia, un fenómeno cósmico violento. La detección fue llamada GW150914, y fue realizada por LIGO, por sus siglas en inglés del Observatorio del Laser Interferométrico de Onda Gravitacional. Una vez que los científicos aislaron el sonido y lo magnificaron, pudieron observar una forma de onda in crescendo rápidamente antes de desvanecerse. Cuando pudieron traducir la señal en sonido, escucharon algo que resonaba como un “chirp.”

Los científicos determinaron que las ondas gravitacionales se sorprendieron por ver la rapidez en la que dos ondas masivas chocaban. La cúspide de la señal -la parte en la que el «chirp» se escuchó más fuerte- fue en el momento en el que los agujeros negros colisionaron y se convirtieron en uno solo. Mientras que un agujero negro nuevo genera ondas gravitacionales propias, sonidos propios, los físicos asumen, que éste sería muy débil para poder descifrar el punto de inicio de la colisión. Además, trazos de este sonido fueron identificados tiempo después de su cúspide, cuando la señal era muy vaga para ser estudiada en detalle.

Isi y sus colegas, de todas formas, encontraron una manera de extraer la reverberación de momentos inmediatamente después de la cúspide de sonido en la señal. En trabajos previos liderados por Isi, el co-autor, el equipo de Matthew Giesler del Caltech (Instituto de Tecnología de California), mostró a través de simulaciones que tal pico en la señal, y particularmente en una porción, contiene «sobre tonos»-una familia de tonos altos y de corta duración. Cuando volvieron a analizar la señal, considerando los sobre tonos, los investigadores descubrieron que podían aislar exitosamente un patrón de sonidos que estaban vinculados específicamente a la formación de agujeros negros.

En la nueva investigación de este equipo, los científicos aplicaron la técnica a la información obtenida de la detección GW150914, concentrándose en los últimos milisegundos de la señal, seguidos inmediatamente por el pico del sonido «chirp». Considerando la señal de los sobre tonos, pudieron discernir entre un sonido proveniente de un agujero negro nuevo. Especialmente, ellos identificaron distintas tonalidades, cada una con una cúspide y un declive que lograron medir.

“Detectamos que una onda gravitacional en general está hecha de multiples frecuencias, que se desvanecen a distintas velocidades, como diferentes fragmentos que crean un sonido,” dijo Isi. “ Cada frecuencia o tono corresponde a una frecuencia de vibración de un nuevo agujero negro.”

La teoría de Einstein de relatividad general predice que un pico y una caída en las ondas gravitacionales de un agujero negro deben ser el producto directo de su masa y su giro. Eso quiere decir que, un agujero negro de una masa y giro determinados solo puede producir cierto pico y cierto declive. Como prueba a la teoría de Einstein, el equipo usó un grupo de ecuaciones de relatividad general para calcular la masa y el giro de un agujero nuevo recientemente formado, utilizando el pico y declive de los dos tonos que lograron detectar.

Encontraron que sus cálculos eran iguales a las medidas de la masa y el giro del agujero negro previamente realizadas por otros investigadores. Isi dice que los resultados demuestran que de hecho, pueden, usar la parte más fuerte y más detectable de la señal de la onda gravitacional, para distinguir el sonido de un nuevo agujero negro, mientras que anteriormente, los científicos asumían que estos sonidos podían ser detectados únicamente al final de la señal en el punto más vago, y detectar más tonos requieren de instrumentos mucho más sensibles de los que existen en la actualidad.

“Esto es emocionante para la comunidad científica porque demuestra que este tipo de investigaciones son posibles hoy por hoy y no en 20 años más,” mencionó Isi.

Mientras LIGO mejora su resolución, e instrumentos más sensitivos se desarrollan en el futuro, los investigadores podrán usar la metodología de este equipo para «escuchar» el sonido de otro agujero negro recién nacido. Y si es que logran capturar tonos que no encajan del todo con las predicciones de Einstein, eso podría ser aún más emocionante.

“En el futuro, tendremos mejores detectores en la Tierra y en el espacio, y seremos capaces de ver no solo dos, sino decenas de estas expresiones, y señalar sus propiedades con precisión,” mencionó Isi. “Si es que estos no son agujeros negros como lo predijo Einstein, y son objetos aún más exóticos, como agujeros gusano o estrellas bosón, puede que no suenen de igual manera, y tendremos la oportunidad de verlas.”

Reimpreso con el permiso de MIT News

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–Traducido al español por Aletheia Jurado