El mismo efecto que ocurre cuando golpeas una campana con un martillo y suena durante un tiempo después, debido a que el metal vibrante continúa resonando, sucede lo mismo cuando un agujero negro es golpeado por otro agujero negro, solo que en lugar de ondas de sonido, el agujero negro recién formado envía ondas gravitacionales que se extienden por todo el Universo.

Esas ondas gravitacionales son como un acorde, una maraña de notas. Codificado en estos, de acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein, debe haber información sobre la masa y el giro del agujero negro.

Ahora, en una nueva prueba de relatividad, un equipo de astrónomos ha descubierto cómo descifrar notas individuales en el acorde, o más bien, frecuencias en las ondas gravitacionales, y, por primera vez, han detectado dos de ellas, algo eso se pensaba imposible con nuestra tecnología actual.

Einstein tuvo razón

Gracias a esta experimentación, un equipo de físicos del MIT y otras instituciones han «escuchado» el sonido de un agujero negro infantil por primera vez, y descubrieron que el patrón de este sonido, de hecho, predice la masa y el giro del agujero negro, más evidencia de que Einstein tuvo razón todo el tiempo.

Los hallazgos también favorecen la idea de que los agujeros negros carecen de cualquier tipo de «cabello», una metáfora que se refiere a la idea de que los agujeros negros, según la teoría de Einstein, deberían exhibir solo tres propiedades observables: masa, espín y carga eléctrica. Todas las demás características, que el físico John Wheeler denominó «cabello», deberían ser tragadas por el agujero negro en sí, y por lo tanto no serían observables.

Los hallazgos del equipo hoy respaldan la idea de que los agujeros negros, de hecho, «no tienen cabello». Los investigadores pudieron identificar el patrón del sonido de un agujero negro y, utilizando las ecuaciones de Einstein, calcularon la masa y el giro que debería tener el agujero negro, dado su patrón de sonido. Estos cálculos coincidieron con las mediciones de la masa y el giro del agujero negro realizados previamente por otros.

Así suena un agujero negro

La colisión en cuestión fue la primera que se detectó, GW 150914, en septiembre de 2015. Los científicos tradujeron las ondas gravitacionales en ondas de sonido, produciendo una señal de «chirrido»; así es como suena:

Justo cuando los dos agujeros negros se fusionan en uno, hay un breve período en el que el nuevo agujero negro oscila, enviando ondas gravitacionales más débiles. Esto se llama ringdown, y los científicos asumieron que sería demasiado débil detectar o analizar después del pico de la onda gravitacional en el momento de la colisión.

El pico de la señal, la parte más ruidosa del chirrido, se relacionó con el momento en que los agujeros negros colisionaron, fusionándose en un solo agujero negro nuevo. Si bien este agujero negro infantil probablemente emitió ondas gravitacionales propias, los físicos supusieron que su timbre característico sería demasiado débil para descifrar en medio del clamor de la colisión inicial.

Anteriormente, el astrofísico Matthew Giesler de Caltech y sus colegas habían determinado, a través de simulaciones, que justo después del pico de la onda gravitacional, el período de respuesta incluía una cacofonía de «sobretonos»: tonos fuertes y de corta duración. Al analizar un chirrido de colisión en el contexto de armónicos, el equipo podría aislar una «firma» resonante del nuevo agujero negro.

Usando la Teoría de la Relatividad General

La teoría de la relatividad general de Einstein predice que el tono y la descomposición de las ondas gravitacionales de un agujero negro deberían ser un producto directo de su masa y giro. Es decir, un agujero negro de una masa y espín determinados solo pueden producir tonos de cierto tono y decadencia. Como prueba de la teoría de Einstein, el equipo utilizó las ecuaciones de la relatividad general para calcular la masa y el giro del agujero negro recién formado, dado el tono y la descomposición de los dos tonos que detectaron.

Encontraron que sus cálculos coincidían con las mediciones de la masa y el giro del agujero negro previamente realizados por otros.

Maximiliano Isi, del Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT, dijo que los resultados demuestran que los investigadores pueden, de hecho, usar las partes más fuertes y detectables de una señal de onda gravitacional para discernir el sonido de un nuevo agujero negro, donde antes, los científicos asumían que este sonido solo podía detectarse dentro del extremo más débil de la señal de onda gravitacional, y solo con instrumentos mucho más sensibles que los que existen actualmente.

Isi y su equipo tomaron este trabajo y lo aplicaron a GW 150914, enfocándose en el momento justo después del pico del chirrido. Y pudieron aislar la señal de llamada, incluso hasta identificar dos tonos distintos, correspondientes a distintas frecuencias vibratorias del nuevo agujero negro.

Saul Teukolsky, astrofísico teórico de la Cornell University, dijo en un comunicado:

Este fue un resultado muy sorprendente. La sabiduría convencional era que para cuando el agujero negro remanente se hubiera asentado para que cualquier tono pudiera ser detectado, los armónicos se habrían desvanecido casi por completo. En cambio, resulta que los armónicos son detectables antes de que el tono principal se vuelva visible”.

A medida que LIGO mejore su resolución, y los instrumentos más sensibles se conecten en el futuro, los investigadores podrán usar los métodos del grupo para «escuchar» el sonido de otros agujeros negros recién nacidos. Y si suceden tonos que no coinciden con las predicciones de Einstein, esa podría ser una perspectiva aún más emocionante.

El estudio científico ha sido publicado en Physical Review Letters y puede ser leído en su totalidad en el servidor de pre-impresión arXiv.org.

Fuente: Phys.org / Science Alert