Científicos detectan por primera vez la firma del horizonte de eventos de un agujero negro

El descubrimiento se produjo al analizar el evento gravitacional GW250114, la señal de ondas gravitacionales más clara recibida hasta la fecha, según explicó el físico teórico Sizheng Ma del Instituto Perimeter en Canadá a ScienceAlert. La señal contiene lo que los científicos denominan una "onda directa", un tipo de onda gravitacional que la teoría predecía podría transportar información sobre las propiedades del horizonte de eventos.

"El horizonte de eventos no es algo que podamos ver directamente con luz, porque por definición nada escapa desde su interior. Pero las ondas gravitacionales nos dan un camino diferente", dijo Ma a ScienceAlert. "Cuando dos agujeros negros orbitan entre sí y se fusionan, este proceso violento perturba el espaciotiempo mismo en la región muy cercana al horizonte del agujero negro final. Algunas de esas vibraciones del espaciotiempo pueden viajar hacia afuera como ondas gravitacionales y eventualmente llegar a nuestros detectores".

El horizonte de eventos no es el agujero negro en sí, sino el límite que separa el universo visible de la región más allá del alcance del agujero negro, según explica la fuente. Este límite es el "punto de no retorno" para un agujero negro, más allá del cual la gravedad del objeto es tan fuerte que ni siquiera la luz en el vacío es lo suficientemente rápida para alcanzar la velocidad de escape. El horizonte de eventos no emite, refleja ni dispersa luz. Cualquier cosa que lo cruza ya no puede enviar luz de vuelta.

Como resultado, ni el horizonte de eventos ni nada más allá de él puede observarse directamente. Todo lo que se conoce sobre los horizontes de eventos proviene de observaciones indirectas de sus efectos en el espacio circundante, según la información disponible.

Las ondas gravitacionales son ondulaciones gravitacionales en el espaciotiempo producidas cuando objetos masivos como agujeros negros colisionan y se fusionan, y pueden detectarse en la Tierra. Esta señal es compleja: incluye la espiral final cuando los dos agujeros negros entran en las últimas etapas de aproximación antes de la colisión; luego, en las secuelas, el agujero negro recién formado resuena como una campana.

Las ondas de esta resonancia se llaman modos cuasinormales, determinados por la masa y el giro del agujero negro, y así es como los científicos pueden extraer estas propiedades de un evento de ondas gravitacionales, según la fuente. Sin embargo, los modos cuasinormales están vinculados principalmente al anillo de luz fuera del horizonte de eventos, no al horizonte mismo.

La teoría propone que cuando los dos agujeros negros terminan de fusionarse, el movimiento orbital cambia de estar gobernado por dos agujeros negros a estar dominado por el objeto único recién formado. La gravedad extrema del agujero negro literalmente arrastra el espaciotiempo con su rotación; la gravedad desplaza al rojo y suprime las señales salientes; y se emite una sola onda, oscilando con casi el doble de la frecuencia de rotación del horizonte: esa es la onda directa.

"A medida que todo se acerca al horizonte de un agujero negro en rotación, son arrastrados a un movimiento extremadamente rápido alrededor de él. Pero al mismo tiempo, la señal que nos envían se desvanece muy rápidamente debido a la fuerte gravedad del agujero negro", explicó Ma. "Entonces, lo que vemos es un remolino final, rápido y que se atenúa rápidamente cerca del horizonte".

Las señales de ondas gravitacionales son extremadamente sutiles. Para cuando llegan a la Tierra, estiran y comprimen el espaciotiempo en menos del ancho de un núcleo atómico, según la fuente. Por eso se necesitó un evento de ondas gravitacionales inusualmente potente para que Ma y sus colegas encontraran la señal que buscaban.

Al principio, mientras extraían la señal de los datos, los investigadores fueron cautelosos. Aunque la teoría era sólida, la complejidad de los datos de ondas gravitacionales significaba que siempre existía el riesgo de un falso positivo.

"Nuestra reacción inicial fue mixta", dijo Ma. "Pero después de las verificaciones preliminares, los datos se comportaron notablemente bien, de hecho, justo como predecía la teoría. El evento fue inusualmente fuerte y limpio, y la forma en que evolucionó la señal coincidió con la firma de onda directa esperada calculada a partir de nuestro modelo teórico. Ese fue el momento en que el estado de ánimo cambió de 'Esto podría ser interesante' a 'Oh vaya, esto podría ser realmente real'".

El resultado aún necesita más pruebas contra otras señales de ondas gravitacionales, según reconocen los investigadores. El trabajo teórico también se someterá a ajustes y refinamientos, ahora que los científicos tienen un resultado observacional contra el cual medirlo.

Pero si se valida, el avance del equipo ofrece una forma completamente nueva de estudiar los agujeros negros. Por ejemplo, esa señal de onda directa puede analizarse para medir qué tan rápido está rotando el horizonte de eventos y qué tan rápido la gravedad hace que la información se desvanezca, según la fuente.

"Durante mucho tiempo, pudimos describir los horizontes de eventos de los agujeros negros maravillosamente en la relatividad general, pero teníamos formas muy limitadas de sondearlos observacionalmente", explica Ma. "Este nuevo componente en las ondas gravitacionales está cambiando eso. Este resultado abre un camino para estudiar la región cercana al horizonte de manera más directa, y en el futuro, con más eventos y detectores más sensibles, podría ayudarnos a realizar pruebas más precisas de la relatividad general y construir una comprensión más profunda de la física de los agujeros negros".

Si se confirma, este resultado marcaría el acercamiento más cercano que los científicos han logrado para sondear la vecindad inmediata del horizonte de eventos de un agujero negro, según la información disponible. Además, esta investigación podría cambiar cómo se estudian y comprenden algunos de los objetos más misteriosos del universo.

"Nos estamos acercando más que nunca al horizonte del agujero negro", dijo Ma. "Los agujeros negros solían sentirse como objetos que solo podíamos entender indirectamente, a través de sus efectos en las cosas a su alrededor. Pero con las ondas gravitacionales, podemos escuchar los momentos finales de una fusión y buscar firmas de la región justo al lado del horizonte. Esa sensación de alcanzar un lugar que alguna vez estuvo completamente fuera del alcance observacional es realmente emocionante".

Los hallazgos han sido publicados en la revista Nature, según confirma la fuente.