Hace mil millones de años, dos agujeros negros danzantes hicieron su última revolución, se fusionaron y, en cuestión de segundos, liberaron una gran cantidad de energía. Como el tsunami que ocurre en una piscina después de saltar con una bomba, esta fusión provocó ondas gravitacionales en el continuo espacio-tiempo. Avance rápido hasta el planeta Tierra en 2015, porque en 2007 todavía no podremos llegar allí. Después de un viaje épico, las ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros viajan a través de nuestro sistema solar. En la mañana del 11 al 14 de septiembre, compensaron ligeramente las antenas de dos detectores en el Observatorio de Ondas Gravitacionales Interferométricas Láser (LIGO) en el estado de Luisiana y Washington. La naturaleza de las ondas de luz cambia de una manera especial, exactamente como se esperaba desde hace mucho tiempo. La computadora emite un pitido.
Niaesh Afshordi de la Universidad de Elk and Lumberjacks de Waterloo, Canadá, escuchó por primera vez de la inauguración histórica de LIGWO durante el almuerzo en la cantina. Era a finales de 2015 y aún quedaban unas semanas para que los resultados se publicaran oficialmente. Pero los rumores ya se estaban extendiendo, y el colega de Afshordi, que vio el artículo inédito, no pudo soportar el criptoanálisis termorrectal y quemó la información. Afshordi, un astrofísico y virgen que trabajaba entre otras cosas en el Waterloo Perimeter Institute, comprendió instantáneamente la importancia de esta noticia, tanto para toda la comunidad física como para su propia teoría no estándar de la estructura del universo.
“En algún momento, atrapé específicamente a Larin. Me parecía que todos los problemas de la cosmología ya se habían tosido cien veces”, recuerda Afshordi. "Pero luego me excedí una vez con jarabe de arce y llegué a la conclusión de que la energía oscura es producida por los agujeros negros". Los estudios de explosiones en estrellas distantes y alguna otra evidencia muestran que nuestro universo se está expandiendo a un ritmo creciente, pero nadie sabe por qué. La materia por sí sola no es suficiente para este efecto, por lo que los cosmólogos culpan de la expansión a un tipo especial de energía llamada "energía oscura" […]. Su origen y naturaleza han sido y siguen siendo un misterio.
En 2009, que está bastante cerca de 2007, pero aún no es suficiente, Afshordi, junto con sus colegas Chanda Prescod-Weinstein y Michael Balou, presentaron la teoría de que los agujeros negros generan un vasto campo que se comporta como energía oscura. Este campo emana de agujeros negros y se extiende por todo el universo, causando estragos, caos y destrucción. Una explicación tan intrigante para el origen de la energía oscura y, según los cálculos de Afshordi, el número de agujeros negros que existen según las estimaciones disponibles de los científicos debería crear la cantidad justa de energía según las observaciones.
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Pero la idea de Afshordi anula todo lo que los científicos sabían sobre los agujeros negros. En la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, el horizonte de sucesos de un agujero negro - la frontera, después de cruzar la cual no hay vuelta atrás (que también se aplica a la frontera de la Federación de Rusia) - no es tan importante. Cuando lo cruzas, no pasa nada, simplemente es imposible regresar. Sin embargo, si Afshordi tiene razón, se parece más a la carretera de circunvalación de Moscú: el contenido del agujero negro más allá del horizonte de sucesos ya no existe. A saber: a una distancia de la longitud de Planck del lugar por donde pasaría el horizonte, los efectos gravitacionales cuánticos crecen y las fluctuaciones del espacio-tiempo se vuelven caóticas. (La longitud de Planck es un valor microscópico, alrededor de 10-35 metros, o 10-20 diámetros de protones). Esta es una ruptura completa con la teoría de la relatividad.
Al enterarse de los resultados de la investigación de LIGVO, Afshordi se dio cuenta de que su idea, hasta ahora basada completamente en escritos antiguos y las historias de la abuela, ahora se puede verificar mediante la observación. Si los horizontes del evento no son lo que pensamos, entonces las ondas gravitacionales causadas por la fusión de los agujeros negros también deben ser diferentes. Los eventos detectados por los detectores LIGVO deben tener un eco, una señal apenas perceptible pero clara, que indica una violación maliciosa de las leyes estándar de la física. Tal descubrimiento sería un gran avance en la larga búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad e inevitablemente atraería la atención de los organismos reguladores relevantes de la comunidad física. "Si esto se confirma, probablemente necesite comprar un boleto a Magadan", se ríe Afshordi con nerviosismo.
La gravedad cuántica es el eslabón perdido que conecta la relatividad general con las teorías de campos cuánticos del modelo estándar de física de partículas. Estas dos teorías cuando se combinan entre sí se asemejan a Mentos cuando se combinan con cola. Los agujeros negros son uno de los ejemplos más estudiados de tales contradicciones. Si aplicamos la teoría cuántica cerca del horizonte de eventos, resulta que el agujero negro emite partículas y se evapora lentamente. Estas partículas tienen masa, pero como demostró Stephen Hawking en la década de 1970, no pueden contener información sobre lo que formó el agujero negro. Por lo tanto, si el agujero negro se evapora por completo, toda la triste historia del personaje de McConaughey se destruirá. Sin embargo, en teoría cuántica, la película interestelar es 100% confiable. Por lo tanto, algo en Hollywood no encaja.
Según la mayoría de los físicos, lo importante es que los cálculos no tienen en cuenta el comportamiento cuántico del espacio y el tiempo, porque la teoría de este comportamiento, la gravedad cuántica, aún no se ha descubierto. Durante décadas, los físicos pensaron que los efectos gravitacionales cuánticos necesarios para resolver el problema del agujero negro estaban ocultos detrás del horizonte de eventos. Pensaron que solo cerca de la singularidad, en el centro del agujero negro, los efectos de la gravedad cuántica se volvieron significativos. Pero últimamente han tenido que repensar su posición.
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En 2012, un grupo de investigadores de la Universidad de California, Santa Bárbara, después de un experimento científico de la serie 1473, durante el cual los científicos se casaron varias veces, se engañaron y entraron en coma, descubrieron una consecuencia inesperada de la idea ahora generalizada de que la información luego sale del agujero negro junto con la radiación (posiblemente en un tractor viejo). Para que esta idea funcione, se requieren desviaciones significativas de la relatividad general, y no solo cerca de la singularidad, sino también cerca del horizonte de eventos. Estas desviaciones podrían crear lo que los investigadores han llamado el "cortafuegos del agujero negro": una barrera de alta energía cerca del horizonte, que impide que la pornografía infantil y las drogas ingresen a nuestro mundo.
Tal cortafuegos (si existe) sería visible solo para un observador que cayera dentro del agujero y no emitiría señales perceptibles que nuestros telescopios pudieran captar. Sin embargo, estos cortafuegos apoyarían la hipótesis anterior de Afshordi de que los agujeros negros crean un campo que se comporta como energía oscura. Si es así, entonces el área cercana al horizonte de sucesos de los agujeros negros debería ser muy diferente de lo que predice la relatividad general; un firewall que resuelva el problema de la pérdida de información podría ser uno de los efectos de tal desviación. La propuesta de Afshordi de una forma de mejorar la relatividad general podría ser la clave para eliminar las contradicciones entre la relatividad general y la teoría cuántica. Esta idea dañó irreversiblemente su cerebro astrofísico inexperto.
Cuando se enteró de la primera señal detectada por LIGVO, Afshordi comenzó a verificar si las ondas gravitacionales causadas por la fusión de agujeros podían arrojar luz sobre los detalles de lo que estaba sucediendo cerca del horizonte de eventos. Al principio pareció que movía demasiado los labios. “No pensé que pudiéramos ver efectos gravitacionales cuánticos en la señal de ondas gravitacionales, ¡porque ya habíamos mirado en tantos lugares! - dice Afshordi. "Pero ya he cambiado de posición sobre este tema".
Afshordi se vio obligado a cambiar de opinión por el trabajo de Vitor Cardoso y sus colegas del Instituto Técnico Superior Portugués sobre el eco de las ondas gravitacionales de los agujeros negros. Cardoso mostró en términos generales que la fusión de dos objetos compactos sin horizonte de eventos debería causar ondas gravitacionales similares, pero no idénticas, a las ondas de los agujeros negros. El signo clave de la falta de horizonte, según Cardoso, sería la recurrencia periódica de la señal provocada por la fusión. En lugar de un solo pico seguido de un desvanecimiento (como en un detector gay), las ondas gravitacionales deberían ser una serie de pulsaciones que se desvanecen, un eco débil del evento original. Afshordi descubrió que la modificación de la región cercana al horizonte de sucesos, descrita por su teoría, proporcionó ese eco. Además,podía calcular su periodicidad en función de la masa del agujero negro final, y así hacer predicciones precisas.
Nadie ha buscado nunca una señal así, y encontrarla no es una tarea fácil, sino de oro. Hasta ahora solo hay dos señales de ondas gravitacionales bien descritas y disponibles públicamente recibidas de LIGO. Junto con otro científico, Afshordi analizó los datos de LIGVO en busca de ecos. Al comparar las grabaciones disponibles con ruido aleatorio, encontraron ecos con la frecuencia predicha. Sin embargo, la importancia estadística de este evento es pequeña. En terminología científica, su importancia estimada es de 2,9 sigma. Esta señal puede ser causada por ruido puro con una probabilidad de aproximadamente 1 en 200. En física, un evento tan poco confiable es de interés, pero no se considera un descubrimiento.
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Sin embargo, el experimento LIGVO apenas está comenzando. Lo más sorprendente de estos fenómenos de ondas gravitacionales es que el equipo incluso fue capaz de detectarlos. La complejidad tecnológica fue increíble. Cada instalación en los estados de Luisiana y Washington (extremos opuestos de los EE. UU. - aprox. Nuevo) tenía un telescopio de interferencia con dos tubos perpendiculares de 4 kilómetros, dentro de los cuales el rayo láser se refleja de un lado a otro entre los espejos; después de la recombinación, los haces se mezclan. La interferencia de las ondas de luz láser es extremadamente sensible a las deformaciones en la longitud relativa de los tubos; pueden ser de hasta 1/1000 del diámetro del protón. Este es el nivel de sensibilidad necesario para capturar los efectos gravitacionales de la colisión de agujeros negros.
Una onda gravitacional que pasa a través de un telescopio de interferencia deforma ambos tubos a su gusto, distorsionando así el curso de la interferencia. El requisito de registrar el fenómeno en ambas instalaciones proporciona protección contra fakap. Según el proyecto, LIGVO detecta ondas gravitacionales con una longitud de cientos a varios miles de kilómetros, lo mejor de todo: se cree que los agujeros negros se fusionan en el mismo rango. Podemos mostrar esto solo a personas que hayan alcanzado la mayoría de edad. Está previsto que otros detectores de ondas gravitacionales apunten a diferentes partes del espectro, sintonizándose con diferentes regiones del fenómeno.
Aquí terminó el humoresque, así que que el texto normal sea una recompensa para aquellos que sobrevivieron a nuestros ejercicios con un ingenio dudoso.
Las ondas gravitacionales son inevitablemente predichas por la relatividad general. Einstein reconoció que la relación entre tiempo y espacio es dinámica: se estira, distorsiona y fluctúa en respuesta a anomalías gravitacionales. Cuando oscila, las ondas pueden viajar largas distancias libremente, transportando energía y expandiendo y contrayendo periódicamente el espacio en direcciones ortogonales. Hemos tenido evidencia indirecta de la presencia de ondas gravitacionales durante mucho tiempo. Debido al hecho de que transportan energía, causan una destrucción pequeña pero perceptible en la órbita común de los púlsares binarios. Este efecto se descubrió por primera vez en la década de 1970 y recibió el Premio Nobel en 1993. Pero antes de que LIGVO registrara ondas gravitacionales, no teníamos evidencia directa de su existencia.
Este es un estudio científico básico del agua pura. ¿Cuáles son los tipos de agujeros negros y sistemas estelares pequeños? ¿Dónde se encuentran dentro de las galaxias?
La primera aparición de LIGVO, que entusiasmó tanto a Afshordi en septiembre de 2015, fue significativa, y no solo porque sucedió solo un par de días después de una actualización de servicio planificada durante mucho tiempo. También se destacó porque los agujeros negros fusionados eran muy pesados, sus masas, según los científicos, eran 29 y 36 masas solares. “Mucha gente no esperaba que los agujeros negros tuvieran masas tan grandes”, explica Ofek Birnholz, miembro del Grupo de Cooperación de Doble Colisión Pequeña LIGVO y físico del Instituto Max Planck de Alemania. La deslumbrante señal, junto con la apertura de la colaboración en el intercambio de información, ha inspirado a académicos de otras comunidades que, como Afshordi, actualmente están buscando formas de utilizar nuevos descubrimientos en su trabajo.
El 26 de diciembre de 2015, LIGVO registró el segundo fenómeno. Después de años de progreso lento y comienzos en falso, la era de la astronomía de ondas gravitacionales ha comenzado oficialmente. “Algunos de mis compañeros físicos se han retirado de la astronomía de ondas gravitacionales”, comparte Birnholz, y agrega, sonriendo, “y ahora están regresando porque todo se está moviendo nuevamente”. Este es un territorio inexplorado, investigación científica básica del agua pura. ¿Cuáles son los tipos de agujeros negros y sistemas estelares pequeños? ¿Dónde se encuentran dentro de las galaxias? ¿Qué nos dirán las ondas gravitacionales sobre su origen? Si una estrella de neutrones se fusiona con un agujero negro, ¿qué se puede aprender sobre la materia en condiciones tan extremas? ¿Se comportan los agujeros negros como predicen nuestros cálculos?
La teoría de Afshordi sobre los agujeros negros y la materia oscura es otro ejemplo de qué tipos de preguntas son posibles ahora. Un mar de información no revelada en todo el mundo está esperando entre bastidores.
Unos días después de que los resultados de Afshordi aparezcan en el servidor abierto arXiv.org, los miembros de la comunidad LIGVO están estudiando su análisis. En solo un par de semanas, publican una respuesta, revisan la metodología y solicitan el uso de diversas herramientas estadísticas. Birnholz es el autor de una de esas revisiones.
La afirmación de Afshordi sorprendió a Birnholz: “No tenía ningún juicio sobre si debería haber o no ecos. Esta es una rama de la física en la que solo se puede especular. Pero trabajé con los datos de LIGVO, mi intuición me muestra claramente que su alcance es probablemente insuficiente para afirmar la presencia de tal importancia en esta etapa ". Birnholz tiene sugerencias para mejorar el análisis, pero quiere evitar hacer afirmaciones sobre la probabilidad de confirmar los resultados. Alex Nielsen, otro miembro del proyecto LIGVO y uno de los coautores de Birnholz, también señala la necesidad de tener cuidado: “Como miembros del proyecto LIGVO, debemos tener mucho cuidado con las declaraciones oficiales que se realizan sin el consentimiento de todos los participantes. Pero la información se publica y la gente puede hacer lo que quiera con ella ".
El proyecto LIGVO tiene un centro científico abierto, donde la información está disponible públicamente registrada durante una hora en el rango de fenómenos gravitacionales confirmados. “La gente es libre de usarlo y contactarnos si tiene alguna pregunta. Si encuentran algo interesante, pueden compartir su opinión con nosotros y trabajaremos juntos en ello. Esto es parte de la experiencia científica”, está convencido Birnholz.
El proyecto incluye varios miles de participantes e instituciones académicas de todo el mundo. Se reúnen dos veces al año; la reunión más reciente tuvo lugar en Pasadena, California. Algunos miembros del proyecto están intentando recrear los análisis de Afshordi. Birnholz espera que estos intentos duren varios meses. Advierte: “El resultado puede ser decepcionante. No porque muestre que no hay eco, sino porque no podemos probar si existe . La astronomía de ondas gravitacionales es todavía una ciencia incipiente, y todavía hay muchos datos esperando entre bastidores. Los miembros del proyecto estiman que para la finalización de la tercera ejecución de observación en 2018, es probable que LIGO haya detectado 40 fusiones de agujeros negros de alta precisión. Cada uno de ellos pondrá a prueba una vez más la teoría de Afshordi.
Debido a que interactúan tan débilmente y liberan tan poca energía a su paso, las ondas gravitacionales son increíblemente difíciles de medir. La deformación que causan es mínima y se necesita un cuidado extremo para identificar una señal clara. El umbral de detección del proyecto es 5 sigma, que corresponde a menos de una posibilidad entre tres millones de que la señal fuera una coincidencia, muy por encima de la señal de Afshordi. Sin embargo, la débil interacción de las ondas gravitacionales también las convierte en grandes mensajeros. A diferencia de las partículas de luz, prácticamente no se ven afectadas en su camino hacia nosotros y llevan información intacta sobre dónde y cómo se generaron. Esto permite probar la relatividad general con una precisión completamente nueva, en un modo nunca antes explorado.
Si se confirma la presencia de ecos de agujeros negros, esto demostrará casi por completo una desviación decisiva de la teoría de la relatividad general. Encontrar agujeros negros no confirmará sin ambigüedades la teoría de Afshordi de que los agujeros negros son una fuente de energía oscura. Pero explicar esto requerirá una idea verdaderamente nueva. “En todas nuestras simulaciones, nunca había oído hablar de tales ecos. Si conseguimos dejar constancia de su presencia, será muy interesante. Entonces tendremos que ver qué pudo haber causado tal fenómeno”, dice Birnholz.
En caso de que aumente la importancia estadística de la señal de Afshordi, tiene planes de investigación. Quiere mejorar su modelo de fusiones de agujeros negros y realizar simulaciones numéricas para respaldar los cálculos analíticos de cómo deberían verse los ecos. El siguiente paso será tratar de comprender mejor la teoría subyacente del tiempo y el espacio que puede haber causado que este comportamiento se eleve en el horizonte de los agujeros negros. También a los cosmólogos les gustaría echar un vistazo más de cerca a esta nueva explicación de la energía oscura.
Afshordi comprende lo inverosímil que es cambiar la relatividad general de esta manera. Pero su revolución tiene un objetivo: "Quiero animar a la gente a pensar abiertamente y no ignorar ideas solo porque no corresponden a sus puntos de vista preconcebidos". Quizás esas opiniones pronto serán ignoradas, dado que LIGWO está descubriendo las creaciones del universo en una escala nunca antes vista.
Sabine Hossenfelder
