La red internacional de detectores de ondas gravitacionales en Estados Unidos, Italia y Japón ha alcanzado un hito sin precedentes en la astronomía moderna. El catálogo Gravitational-Wave Transient Catalogue-5.0 (GWTC-5), publicado en tres artículos principales y tres complementarios en el servidor de preimpresión arXiv, documenta 161 nuevos eventos gravitacionales detectados durante O4b, la segunda parte de la cuarta campaña de observación conjunta, según informó el Instituto Max Planck de Física Gravitacional.

Los datos fueron recopilados entre abril de 2024 y finales de enero de 2025, y los científicos extrajeron parámetros de 104 de los 161 eventos descubiertos. El 75% de todas las señales de ondas gravitacionales observadas hasta ahora han sido descubiertas en la primera y segunda parte de O4, lo que subraya el aumento significativo en la sensibilidad de los detectores, según la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA.

"Nuestros detectores se han vuelto tan sensibles que ahora descubrimos nuevas señales de ondas gravitacionales aproximadamente tres o cuatro veces cada semana de nuestras campañas de observación, desbloqueando un tesoro de datos en constante crecimiento", dijo Frank Ohme, líder de grupo en el departamento de Interferometría de Precisión e Interacciones Fundamentales del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Hannover.

Karsten Danzmann, director emérito del instituto en Hannover, añadió: "Diez años después de nuestros primeros descubrimientos, ahora estamos entrando en la era de la astronomía de ondas gravitacionales de precisión. Lo que podemos hacer con la astronomía de ondas gravitacionales hoy es verdaderamente asombroso. Podemos estudiar la población de agujeros negros que se fusionan, realizar algunas de las pruebas más precisas de la relatividad general y obtener mediciones completamente nuevas de la expansión de nuestro Universo".

Localización récord de una fusión de agujeros negros

Una señal del catálogo, observada el 15 de junio de 2024, estableció un nuevo récord para la localización más precisa en el cielo de todos los eventos de ondas gravitacionales. Su fuente se encontró dentro de un área de solo 6 grados cuadrados, un parche del cielo que podría ser cubierto por aproximadamente 28 lunas llenas, según el Instituto Max Planck. Este rendimiento excepcional fue posible porque los investigadores pudieron combinar datos de ambos instrumentos LIGO y del detector Virgo.

Determinar dónde se encuentra una fuente de ondas gravitacionales es crucial al buscar posibles señales electromagnéticas generadas por eventos como fusiones de estrellas de neutrones binarias o coalescencias de agujero negro y estrella de neutrones. Cuanto más pequeña sea la región del cielo, más fácil es apuntar otros observatorios astronómicos hacia ellas, según la colaboración.

El evento récord provino de la coalescencia de dos agujeros negros, con masas de 34 y 26 veces la del Sol, respectivamente. Las ondas gravitacionales fueron emitidas desde su fusión hace aproximadamente 3.400 millones de años, en un momento en que las formas de vida más tempranas conocidas emergieron en la Tierra, y viajaron a la velocidad de la luz hasta llegar a nuestro planeta en 2024, según el instituto.

La señal de ondas gravitacionales más clara

El catálogo GWTC-5 contiene cinco fusiones de agujeros negros binarios excepcionalmente claras, incluida la señal de ondas gravitacionales más clara vista hasta la fecha. GW250114, reportada anteriormente, provino de una coalescencia de agujeros negros con masas de 34 y 32 veces la del Sol a aproximadamente 1.300 millones de años luz de distancia. Fue observada el 14 de enero de 2025 y su "claridad" hizo posible lograr resultados científicos sobresalientes, entre ellos la prueba más precisa de la relatividad general jamás realizada y la confirmación del teorema del área de agujeros negros de Stephen Hawking, según el Instituto Max Planck.

Durante la fase de oscilación, cuando el agujero negro se asienta en su estado final justo después de la fusión, la señal de ondas gravitacionales contiene un espectro característico de modos o tonos. Caracterizar múltiples tonos de ondas gravitacionales, midiendo las frecuencias de los tonos y qué tan rápido se desvanecen, permite pruebas únicas y poderosas de la relatividad general, según la colaboración.

GW250114 fue lo suficientemente clara para que los investigadores midieran dos tonos y restringieran un tercero. Los tres concuerdan con la relatividad general de Einstein y la solución de Kerr para agujeros negros en rotación, según el instituto.

Modelos de forma de onda mejorados y aprendizaje automático

Los investigadores del Instituto Max Planck en Potsdam y Hannover desarrollaron y realizaron contribuciones clave a la última generación de modelos de forma de onda mejorados. Los investigadores de la colaboración LVK utilizan estos modelos para predecir las ondas gravitacionales emitidas por agujeros negros binarios y para comprender nuevas señales una vez encontradas.

"Nuestros modelos de forma de onda mejorados son más físicamente consistentes y precisos, y son clave para inferir de manera confiable las propiedades de las fusiones de agujeros negros a partir de los datos del detector", explicó Héctor Estellés Estrella, ex investigador postdoctoral en el instituto de Potsdam, ahora investigador postdoctoral en el Instituto de Ciencias del Espacio en Barcelona.

En los últimos años, investigadores del Instituto Max Planck y del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes han estado desarrollando DINGO, un algoritmo de aprendizaje automático para el análisis de datos de ondas gravitacionales. En la producción de GWTC-5 se ha utilizado de forma rutinaria por primera vez, según el instituto.

"Nuestro enfoque llamado DINGO emplea redes neuronales profundas. Es tan preciso y confiable como los métodos convencionales que la colaboración LVK utiliza para determinar las características astrofísicas de las fuentes de ondas gravitacionales, pero solo toma minutos en lugar de horas o días para la misma tarea", explicó Annalena Kofler, estudiante de doctorado en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes y el instituto de Potsdam.

"La colaboración LVK investigó 104 de las 161 nuevas señales de ondas gravitacionales en detalle. Para 42 de esas 104 señales en el nuevo catálogo, DINGO sirvió como herramienta de validación cruzada. Los resultados de DINGO concuerdan exactamente con los obtenidos con los métodos convencionales", añadió Nihar Gupte, estudiante de doctorado en el departamento de Relatividad Astrofísica y Cosmológica del instituto en el Parque Científico de Potsdam.

Agujeros negros de segunda generación

En octubre y noviembre de 2024, con solo un mes de diferencia, la red de detectores observó ondas gravitacionales de dos coalescencias de agujeros negros muy especiales. GW241011 y GW241110 provinieron de distancias de aproximadamente 700 millones y 2.400 millones de años luz, respectivamente, según el Instituto Max Planck.

Como se informó anteriormente, ciertas características de estas fusiones, en particular qué tan rápido y alrededor de qué eje giraban los agujeros negros, indican que los objetos involucrados podrían ser agujeros negros de "segunda generación". Estos son agujeros negros que se formaron en coalescencias previas de agujeros negros, probablemente en entornos cósmicos muy densos y abarrotados, como cúmulos estelares. Allí, los agujeros negros tienen más probabilidades de colisionar y fusionarse repetidamente, según la colaboración.

El creciente número de eventos observados también ha permitido a los investigadores de LVK estudiar e identificar las propiedades de diferentes poblaciones de agujeros negros. Uno de los artículos que acompañan al catálogo trata específicamente este aspecto, según el instituto.

Medición de la expansión del Universo

Los investigadores de la colaboración LVK han utilizado la capacidad mejorada de la red de detectores para localizar eventos y el mayor número de eventos para medir la velocidad a la que se expande nuestro Universo. Combinaron mediciones basadas en ondas gravitacionales de las distancias a las fuentes con otras mediciones de qué tan rápido se alejan de la Tierra debido a la expansión del Universo, según el Instituto Max Planck.

La colaboración LVK mejoró la precisión de su estimación de la constante de Hubble, que mide la tasa de expansión del Universo, en más del 25% en comparación con el valor derivado del catálogo anterior. El valor estimado es consistente con las mediciones existentes tanto de nuestro vecindario cósmico como del Universo temprano. Sin embargo, aún no es lo suficientemente preciso para resolver la "Tensión de Hubble" entre esas mediciones establecidas desde hace mucho tiempo, según el instituto.

Alessandra Buonanno, directora del departamento de Relatividad Astrofísica y Cosmológica del instituto en el Parque Científico de Potsdam, dijo: "Nuestro nuevo catálogo incluye varias señales excepcionales y récord. Hemos encontrado evidencia de la existencia de agujeros negros de segunda generación, hemos localizado la posición en el cielo de una fuente de ondas gravitacionales con más precisión que nunca, y hemos medido o restringido por primera vez tres tonos de ondas gravitacionales de un agujero negro en la señal de ondas gravitacionales más clara observada hasta la fecha".

Harald Pfeiffer, líder de grupo en el instituto de Potsdam y revisor principal del control de calidad interno de la toma de datos y análisis de los resultados de GWTC-5.0, confirmó: "La colaboración realizó un análisis extraordinariamente cuidadoso y exhaustivo de las ondas gravitacionales detectadas. Esto hace que los anuncios de hoy no solo sean científicamente extraordinariamente importantes, sino también muy confiables".

Próximas observaciones y actualizaciones del catálogo

El análisis de O4c, la parte final de O4 desde finales de enero de 2025 hasta mediados de noviembre de 2025, está actualmente en curso. La colaboración LVK publicará los resultados en los próximos meses. Los 68 candidatos a señales ya identificados durante O4c expandirán aún más el catálogo y ofrecerán nuevas oportunidades para estudiar nuestro Universo y las leyes fundamentales de la física, según el Instituto Max Planck.

En este momento, los detectores de la red internacional están siendo actualizados para mejorar su sensibilidad hacia la próxima campaña de observación de seis meses, llamada IR1, que comenzará a finales de octubre o mediados de noviembre de 2026. Instrumentos más sensibles ayudarán a descubrir señales de ondas gravitacionales a una tasa aún mayor, potencialmente descubriendo eventos cósmicos raros adicionales, según la colaboración.

Los artículos serán enviados a The Astrophysical Journal y The Astrophysical Journal Letters, según informó el instituto.