Se observa mediante LIGO la fusión de agujeros negros más masiva jamás detectada

• La colaboración LIGO-Virgo-KAGRA detectó la fusión de agujeros negros más masiva jamás observada mediante ondas gravitacionales
• Esta fusión formó un agujero negro equivalente a unas 225 masas solares
• Se trata de una masa tan alta que no puede explicarse con la teoría estándar de evolución estelar, lo que pone a prueba los límites de la teoría y de las observaciones
• Científicos relacionados anticipan avances en la investigación de agujeros negros y en el desarrollo de algoritmos debido a la rotación extrema y al análisis complejo de la señal
• Esta observación marca un nuevo punto de inflexión en el análisis de datos, la tecnología instrumental y el desarrollo teórico de la astronomía de ondas gravitacionales

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LIGO, Virgo y KAGRA detectan la fusión de agujeros negros más masiva jamás registrada

La colaboración LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) descubrió, usando los observatorios LIGO financiados por la National Science Foundation (NSF) de Estados Unidos, el fenómeno de fusión de agujeros negros más masivo jamás observado mediante ondas gravitacionales. Se determinó que el agujero negro final formado en esta fusión alcanza aproximadamente 225 veces la masa del Sol. La señal de ondas gravitacionales fue denominada GW231123 y se detectó el 23 de noviembre de 2023 durante el cuarto periodo de observación de la red LVK.

Historia y evolución de LIGO

LIGO llamó fuertemente la atención en 2015 al lograr la primera observación directa de ondas gravitacionales, y en ese momento también detectó un agujero negro de 62 masas solares tras una colisión de agujeros negros. Los detectores gemelos de LIGO, ubicados en Livingston, Luisiana, y Hanford, Washington, captaron conjuntamente esa señal. Después, LIGO se asoció con Virgo en Italia y KAGRA en Japón para formar la colaboración LVK. Desde 2015, a lo largo de cuatro ciclos de observación, se han observado más de 300 fusiones de agujeros negros.

El reciente evento de fusión récord

Anteriormente, la fusión de agujeros negros de mayor masa era el evento GW190521 de 2021, con una masa total equivalente a 140 veces la del Sol. En el nuevo evento GW231123, dos agujeros negros de unas 100 y 140 masas solares se fusionaron para crear un agujero negro de 225 masas solares. Se estima que estos agujeros negros giraban a velocidades extremadamente altas.

Mark Hannam, de la colaboración LVK, señaló: "Este sistema binario de agujeros negros observado es difícil de explicar con las teorías actuales de evolución estelar y probablemente sugiere la posibilidad de fusiones jerárquicas de agujeros negros más pequeños". Dave Reitze, de LIGO, comentó: "Las observaciones de ondas gravitacionales han permitido grandes avances para revelar la naturaleza de los agujeros negros y las características exóticas del universo".

Un récord y un desafío científico

La gran masa y la rotación extrema observadas en GW231123 ponen a prueba los límites de las tecnologías actuales de detección de ondas gravitacionales y de los modelos teóricos. La rotación, cercana al límite permitido por la teoría de la relatividad general de Einstein, hace que la interpretación y el modelado de la señal sean especialmente difíciles. Charlie Hoy, de la Universidad de Portsmouth, evaluó que "este caso ofrece una oportunidad importante para avanzar en herramientas teóricas y en el desarrollo de algoritmos".

Los investigadores esperan que tomaría años descifrar por completo el patrón y el significado de esta señal. Gregorio Carullo, de la Universidad de Birmingham, analizó que "la fusión en sí es la explicación más probable, pero debido a fenómenos complejos que no se explican con las teorías existentes, también podría contener pistas para nuevas interpretaciones".

Expandiendo los límites de la astronomía de ondas gravitacionales

Los detectores de ondas gravitacionales como LIGO, Virgo y KAGRA miden diminutas deformaciones del espacio-tiempo provocadas por fenómenos físicos gigantescos en el universo. Este cuarto periodo de observación comenzó en mayo de 2023, y se prevé que datos adicionales se publiquen en el verano de 2024. Sophie Bini, de Caltech, explicó que "este evento es un caso real que supera los límites actuales del análisis de datos y de la tecnología instrumental, y sugiere muchas posibilidades para futuras investigaciones en astronomía de ondas gravitacionales".

Los resultados de GW231123 se presentarán en la conferencia GR24/Amaldi, que se celebrará del 14 al 18 de julio de 2025 en Glasgow, Escocia. Los datos de calibración usados para GW231123 se publicarán a través del Gravitational Wave Open Science Center (GWOSC), para que científicos de dentro y fuera del país puedan utilizarlos en investigaciones adicionales.

Introducción a la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA

• LIGO es operado por Caltech y MIT con apoyo de la NSF de Estados Unidos, y recibe respaldo importante de Alemania (Max Planck Society), el Reino Unido (Science and Technology Facilities Council) y Australia (Australian Research Council). Participan más de 1,600 científicos de todo el mundo
• Virgo Collaboration está compuesta por unas 880 personas de 152 instituciones en 17 países de Europa. El detector Virgo, ubicado cerca de Pisa, Italia, recibe apoyo conjunto de EGO (European Gravitational Observatory), CNRS (Centro Nacional de Investigación Científica de Francia), INFN (Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia) y Nikhef (Instituto Nacional de Física Subatómica de los Países Bajos)
• KAGRA está ubicado en Kamioka, Gifu, Japón, y cuenta con un interferómetro láser subterráneo de 3 km. Es coordinado conjuntamente por el ICRR de la Universidad de Tokio (Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos), el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) y KEK (Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía). Participan más de 400 personas de 128 instituciones en 17 países y regiones

Puede consultarse información adicional o material de investigación en los sitios web oficiales de cada institución.

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Comentarios en Hacker News

• Un agujero negro de unas 225 masas solares implica que se formó por la fusión de agujeros negros de aproximadamente 100 y 140 masas solares, así que me pregunto si 15 masas solares se convirtieron en energía, porque eso sería una cantidad enorme de energía.
  • Puede decirse que la bomba nuclear Tsar Bomba convirtió en energía unos 2.3 kg de materia; una masa solar es aproximadamente 2 x 10^30 kg, así que este evento liberó el equivalente energético de 10^31 Tsar Bombas. Ese tipo de cifra no se siente intuitiva, así que lo pensé de otra manera: el Sol solo emite cerca del 0.034% de su masa como energía a lo largo de toda su vida, así que la energía de una masa solar equivale a toda la vida de 3,000 soles. La energía liberada en este evento equivale a toda la energía emitida durante la vida completa de unos 45,000 soles. Imagino que la mayor parte se liberó en los últimos segundos de la fusión. Referencias: cálculo de conversión de energía, pérdida de masa solar
  • Si se convirtió en energía y salió del agujero negro, no termino de entender cómo puede pasar eso en un agujero negro del que ni siquiera la luz puede escapar. Si fue en forma de ondas gravitacionales, entonces la conclusión obvia es que la mayor parte de la energía escapa de esa manera. No hace falta esperar la radiación de Hawking.
  • Me pregunto en qué forma de energía se convierte esa masa.
  • Es algo que los humanos podemos imaginar, pero es más energía de la que emiten todas las estrellas del universo observable en ese instante.
  • Sí, y aun así la gravedad es tan débil que toda esa enorme energía se manifiesta aquí como una contracción relativa del tamaño de un cabello a la distancia entre la Tierra y la Luna (menos de 10^-20).
• Este fenómeno es realmente fascinante. Charlie Hoy, de la University of Portsmouth, explicó que “los agujeros negros están girando muy rápido, casi alcanzando el límite permitido por la relatividad general”. Eso hace difícil modelar e interpretar la señal. Este caso es un excelente estudio para impulsar el desarrollo de herramientas teóricas.
  • Se siente como si la naturaleza nos hubiera lanzado una prueba de estrés para la relatividad general.
  • Me pregunto si el simple hecho de que un cuerpo esférico gire ya genera ondas gravitacionales.
• Hace un mes, la propuesta de presupuesto de la NSF planteaba la posibilidad de cerrar uno de los dos observatorios LIGO en Estados Unidos, lo que perjudicaría gravemente la capacidad de triangular la ubicación de eventos como esta fusión de agujeros negros. El cierre también golpearía con fuerza el límite de ruido y la tasa de detección. Me pregunto si alguien sabe si ese plan de cierre sigue avanzando. Enlace de referencia
  • La propuesta presupuestaria será revisada mañana (15 de julio, 12:00). El presupuesto actual de la NSF es de unos 7 mil millones de dólares, con un recorte del 23% frente al FY2025. No sé exactamente qué impacto tendría sobre LIGO. Detalle del presupuesto
  • La semana pasada asistí en Pisa al evento virgo ego (básicamente, un primo de LIGO). Era una celebración por los 10 años del descubrimiento de las ondas gravitacionales; un actor leyó un libro escrito por el director del programa en Italia y un saxofón interpretó el sonido de las ondas. No puedo expresar con palabras lo conmovedor que fue. También hubo una entrevista con el director del centro Virgo y una comunicadora científica, y el director estaba bastante molesto por la posible reducción del presupuesto de LIGO. Con razón.
  • Habrá que seguir viendo si el presupuesto final del FY 2026 mantiene ambos LIGO. Hasta entonces, el riesgo sigue siendo real, pero todavía no es una situación completamente irreversible.
  • Actualmente hay varios detectores de ondas gravitacionales operando en el mundo. Me pregunto por qué el cierre de un LIGO sería tan crítico para la triangulación.
  • Tal vez esa sea la razón por la que este descubrimiento de 2023 recién se publica ahora en un paper.
• De verdad necesito buenas noticias, y me gustaría que alguien me ayudara a imaginar si este tipo de descubrimientos podría algún día usarse de forma práctica para mejorar la vida humana, aunque sea de manera muy indirecta. No hablo del debate sobre “la utilidad de la investigación básica”; estoy de acuerdo en que vale por sí misma, pero me cuesta imaginar cómo podría ser útil a largo plazo.
  • No soy experto, solo alguien interesado, pero claramente hay aspectos positivos en estos avances. Uno es que las ondas gravitacionales pueden servirnos como señal de eventos del universo temprano. Por ejemplo, el fondo cósmico de microondas (CMB) es la señal de los primeros fotones emitidos justo después del Big Bang/la inflación. Pero el universo fue opaco a los fotones durante sus primeros 300 mil años, y aun así hemos usado esos datos para validar y refutar teorías cosmológicas. Las ondas gravitacionales, en cambio, a diferencia de los fotones, no son bloqueadas por nada y pueden transportar señales desde el momento de la creación del universo, así que podrían darnos información más clara. Eso podría abrir nuevas perspectivas sobre física fundamental, como mecánica cuántica y relatividad. También creo que esto podría llevar a una astronomía multimensajero, observando eventos con fotones, neutrinos y ondas gravitacionales para obtener una comprensión más profunda. Dado que muchos avances en física básica han terminado mejorando la vida en la Tierra a largo plazo, creo que hay razones para ser optimistas. Ojalá puedas conservar esa esperanza de que el mundo puede volverse un poco mejor.
  • A la pregunta de “¿cómo podría ser útil esta investigación a largo plazo?”, honestamente no lo sé. Pero los agujeros negros son lo más cercano que tenemos, científicamente, a los límites de lo que sabemos. No tenemos idea de qué ocurre más allá del horizonte de eventos, y experimentalmente quizá nunca lo sepamos. A veces, cuando entendemos más, surgen avances que disparan el desarrollo tecnológico. Es un campo con enorme potencial. La mayoría de los progresos, fuera de los sectores directamente relacionados, suelen parecer bastante “aburridos”.
  • La utilidad práctica de esta investigación no está en “el resultado en sí”, sino en la metodología necesaria para obtenerlo. LIGO requiere láseres de precisión extrema, plataformas estables, medición de posición al límite, muchísimo software, etc. Ese tipo de “necesidad” impulsa avances e innovación reales. Por ejemplo, los sensores CMOS (cámaras digitales) surgieron como efecto secundario de la astronomía. Cuando usas la cámara del celular no piensas “esto salió de investigaciones para medir distancias a estrellas”, pero así funcionan esos efectos indirectos.
  • A lo largo de la historia, las civilizaciones ricas construían monumentos para mostrar su grandeza. De forma parecida, ahora estamos invirtiendo la productividad de la sociedad en una gran obra de arte llamada investigación básica. Detectar fusiones de agujeros negros no tiene un beneficio práctico directo, pero es un monumento intelectual en busca de descubrir la naturaleza del universo. Así como todavía recordamos a los antiguos egipcios, ojalá nuestros logros también perduren.
• Siempre pensé que el horizonte de eventos de un agujero negro era esférico. Pero mi intuición física me dice que, cuando dos agujeros negros se fusionan, el agujero negro resultante al menos al principio podría tener forma de “cacahuate”. Incluso podría conservar formas irregulares dependiendo de la distribución interna de masa.
  • El horizonte de eventos es esférico en el caso de un agujero negro de Schwarzschild (sin rotación). Los agujeros negros en rotación se llaman agujeros negros de Kerr y presentan muchos fenómenos extraños. Por fuera tienen una frontera rara llamada ergosphere, donde el espacio-tiempo es arrastrado y no puedes permanecer quieto, e incluso puede usarse el agujero negro para acelerar objetos. En el interior hay una frontera todavía más extraña llamada Cauchy horizon, donde en teoría sería posible viajar en el tiempo. La singularidad tiene forma de anillo. En una fusión creo que todo esto se vuelve mucho más raro. Wiki sobre la métrica de Kerr, paper sobre agujeros negros de Kerr, Wiki sobre la ergosphere, Wiki sobre el Cauchy horizon. Fui actualizando esto mientras investigaba; es complejo, así que no garantizo que sea totalmente correcto, pero hice mi mejor esfuerzo.
  • Creo que hablar de la forma del horizonte de eventos es complicado, porque normalmente una esfera se define como “el conjunto de puntos equidistantes de un punto”, pero en una variedad diferenciable eso ya es complejo, y con una singularidad la distancia puede volverse infinita o quizá no exista un punto de referencia único por la geometría. Por eso suele redefinirse como “una superficie de curvatura escalar constante con la misma topología que una esfera”, lo que la distingue de un plano o un hiperboloide. Mi intuición es que en un agujero negro de Kerr o en uno durante una fusión sí podría haber una forma de menta o de cacahuate (probablemente también con puntos de silla). En coordenadas seguramente se ve así, pero según el sistema de coordenadas hasta un agujero negro de Schwarzschild podría verse con forma de cacahuate, así que las coordenadas por sí solas no significan mucho.
  • Hay una animación de la fusión hecha por MIT/CalTech. Video de la animación
  • Desde nuestro punto de vista, el horizonte de eventos en realidad no está completamente formado. Para un observador externo, una estrella en colapso tarda un tiempo infinito en alcanzar el estado de agujero negro. En la mayoría de los casos, la estrella colapsada se ve como si fuera un agujero negro, pero en el proceso de fusión de agujeros negros el horizonte de eventos no termina de formarse por completo y por eso puede liberarse energía. En ese caso surge una diferencia importante.
• Me pregunto qué pasaría si un agujero negro atravesara a otro a una velocidad ultrarrelativista.
  • El espacio-tiempo alrededor de un agujero negro está curvado de forma extrema. Es fácil imaginar “chocan casi a la velocidad de la luz”, pero en un agujero negro el espacio-tiempo se entrecruza de tal manera que, a medida que uno se acerca al otro, podría incluso parecer que su velocidad se detiene por completo. Dependiendo de la posición y velocidad del observador, la observación puede ser totalmente distinta. Es difícil incluso ponerse de acuerdo en lo más básico. Por ejemplo, cuando algo cae en un agujero negro —aunque sea otro agujero negro—, desde fuera su velocidad parece tender a 0 y solo lo ves desvanecerse hacia el rojo; nunca llegas a ver el momento en que cae realmente. Es realmente difícil y va contra la intuición.
  • Los dos agujeros negros terminarían fusionándose en uno que combine su momento lineal, porque del horizonte de eventos no puede escapar nada; en ese sentido, un agujero negro es prácticamente perfectamente pegajoso.
  • Dentro del horizonte de eventos la velocidad de escape es mayor que la velocidad de la luz, así que los agujeros negros no pueden acercarse entre sí más rápido que eso. Si sus trayectorias coincidieran perfectamente, no podrían escapar de la gravedad mutua. Más que atravesarse uno al otro, sería algo parecido al choque de imanes extremadamente poderosos.
  • Es una pena que no podamos montar un acelerador de partículas cósmico para probar algo así.
• Sorprende que LIGO, Virgo y KAGRA realmente puedan detectar e interpretar señales tan extremas como esta.
• Me pregunto cómo va la perspectiva presupuestaria de LIGO; no sé si la semana pasada, con la aprobación del BBB, hubo recortes.
• Me pregunto qué pasa cuando chocan agujeros negros: si uno “se traga” al otro, si simplemente se vuelve un agujero negro más grande, si aumenta la densidad o si solo crece de tamaño.
  • Se fusionan en un agujero negro más grande; la mayor parte de la masa se conserva y una parte se emite como ondas gravitacionales. Como la masa es proporcional al radio, al fusionarse la densidad en realidad disminuye. Por ejemplo, si alinearas varios agujeros negros y luego los fusionaras, el espacio esférico que los envuelve a todos se convertiría en un agujero negro. Un agujero negro con toda la masa del universo tendría un volumen del tamaño del universo.
  • Se combinan en un agujero negro de mayor masa. El volumen, incluyendo el horizonte de eventos, depende únicamente de la masa, así que sin importar cómo se haya formado, a igual masa corresponde la misma densidad. En cuanto a “tragarse”, si rasgas una tela y dos agujeros terminan uniéndose en uno solo, es ambiguo decir si el agujero grande se tragó al pequeño.
  • No podemos saber qué ocurre en el interior. Los agujeros negros se definen solo por tres cantidades: masa, spin (momento angular) y carga. Se espera que, tras la fusión, esas cantidades se sumen. Una rotación muy rápida puede hacer que el spin posterior a la fusión quede cerca del límite, y las ondas gravitacionales podrían llevarse la energía del exceso de spin.
  • Según entiendo, los dos agujeros negros orbitan entre sí y se acercan para siempre. Desde nuestro punto de vista, no podemos ver realmente que algo entre en un agujero negro. Debido a la dilatación temporal, no vemos que nada cruce de verdad el horizonte. Hay una explicación más detallada aquí: preguntas y respuestas sobre dilatación temporal
  • En principio, dos agujeros negros suman sus masas y se convierten en un agujero negro más grande. Ese aumento de masa produce más gravedad y hace que el horizonte de eventos se expanda hacia afuera.
• El chiste es que si no hay waveform (chirp), entonces no pasó.