Una ilustración muestra la fusión de un agujero negro y su imagen especular.(Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
Mediante la observación de pequeñas ondulaciones en el espaciotiempo llamadas «ondas gravitacionales» que se propagan lejos de los agujeros negros en colisión, los científicos podrían revelar asimetrías ocultas en el universo.
El equipo responsable de una nueva investigación sobre el tema sugiere que medir si las ondas gravitacionales de las fusiones de agujeros negros son diestras o zurdas puede decirnos si el Principio Cosmológico -un pilar absoluto de la astronomía- es cierto.
El Principio Cosmológico establece que cuando el universo se observa a grandes escalas, debería estar hecho de la misma materia en todas las direcciones. En otras palabras, el cosmos debe parecer «isótropo y homogéneo». Eso significa que el universo no debería mostrar preferencia por las cosas que giran en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario. Debería haber simetría especular en el universo, y eso incluye las ondas gravitacionales procedentes de las fusiones de agujeros negros.
Ahora, un equipo de científicos ha medido las ondulaciones en el espaciotiempo a medida que surgen hacia el exterior de las fusiones de agujeros negros, lo que podría estar correlacionado con la dirección en la que los agujeros negros hijos retroceden de las «patadas» propinadas durante estos eventos.
«Las ecuaciones de Einstein para la gravedad, que rigen el comportamiento a gran escala del universo, permiten una fuente gravitatoria de mano izquierda [y derecha] por cada una de mano opuesta», afirma en un comunicado Adrián del Río, miembro del equipo e investigador de la Universidad Carlos III de Madrid. «Estas ecuaciones, sin embargo, no requieren la existencia de ambos tipos de fuentes con las mismas proporciones en nuestro universo. Nuestro trabajo nos permite comprobar si la gravedad o nuestro universo tienen mecanismos ‘ocultos’ para producir asimetrías.»
Goles y agujeros negros que crecen
Si todo esto suena terriblemente complicado, el director del equipo, Juan Calderón Bustillo, de la Universidad de Santiago de Compostela, y sus colegas tienen una analogía fácil de entender. «En el fútbol, hay dos formas principales de chutar el balón con la parte interna o externa del pie», explica Bustillo en el comunicado. «La primera hará que el balón gire en sentido contrario a las agujas del reloj; piense en los famosos tiros libres de David Beckham, mientras que la contraria inducirá el giro contrario. Piensa en Modric o en la joven superestrella Lamine Yamal, que dominan este movimiento».
Bustillo añade que, sin embargo, la mayoría de los tiros, centros y pases se realizan con el lado interno del pie, ya que así es mucho más fácil controlar el balón. En otras palabras, el fútbol no tiene simetría especular, sino que en el juego se prefiere la dirección contraria a las agujas del reloj: «Esto induce una asimetría entre los dos tipos de giros, lo que hace que el fútbol sea “asimétrico especular”», afirma Bustillo. «Si nuestras suposiciones estándar sobre el universo y la gravedad se mantienen, esto no debería ocurrir con las ondas emitidas por las fusiones de agujeros negros en el universo».
(Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))Además, el agujero negro hijo creado en la fusión también tiene espín y, al igual que un balón de fútbol, puede ser diestro o zurdo con respecto a la dirección de su movimiento. Otras investigaciones indican que, al igual que un balón de fútbol, la dirección en la que se orientan las ondas gravitacionales está relacionada con la dirección de la «patada» que recibe el agujero negro hijo de la fusión.
Si los agujeros negros siguen el ejemplo del legendario extremo del Manchester United David Beckham y «se doblan como Beckham», por así decirlo, nuestras teorías sobre el universo sufrirán un impacto significativo.
Las ondas gravitacionales echan una mano
El origen de las ondas gravitacionales se remonta a 1915 y a la magnum opus de la teoría de la gravedad de Albert Einstein. Conocida como relatividad general, esta teoría dio un vuelco a la física al sugerir que la gravedad surge de la curvatura del espaciotiempo generada por objetos con masa.
Pero Einstein fue más allá. También sugirió que los objetos en aceleración hacían «sonar» el tejido del espaciotiempo con «radiación gravitatoria» u ondas gravitatorias. Aunque los sucesos mundanos, como la aceleración de una bicicleta, son demasiado insignificantes para crear ondas gravitatorias, los sucesos cósmicos violentos, como las supernovas y la fusión de agujeros negros, sí lo hacen. De hecho, incluso el Big Bang que creó el universo las creó.
Sin embargo, desde 2015, los observatorios de ondas gravitacionales LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) y Virgo (Virgo gravitational wave observatory) han demostrado que el gran físico estaba equivocado al detectar ondulaciones en el espaciotiempo provocadas por potentes fenómenos como las colisiones y fusiones de agujeros negros supermasivos y estrellas de neutrones.
Ilustración artística de dos agujeros negros que se mueven en espiral y crean ondas gravitacionales en el espaciotiempo. (Crédito de la imagen: NASA)Dado que las ondas gravitacionales pueden denominarse radiación gravitacional, cabe preguntarse si tienen alguna similitud con la luz o, más exactamente, con la radiación electromagnética. Las ondas son el núcleo de ambos tipos de radiación, y tienen propiedades como la longitud de onda, la distancia entre dos picos de una onda, y la frecuencia, el número de picos que pasan por un punto determinado en una unidad de tiempo determinada. Así pues, al igual que existe todo un espectro electromagnético compuesto por radiaciones electromagnéticas de diferentes longitudes de onda y frecuencias, también existe un espectro de ondas gravitacionales.
Además, al igual que las ondas electromagnéticas, las ondas gravitacionales pueden poseer polarización. La polarización se refiere a la dirección en la que se orienta la onda a medida que se propaga. La polarización de las ondas gravitacionales puede ser derecha o izquierda, lo que significa que la onda puede girar en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario en relación con su dirección de propagación.
Un diagrama que muestra dos tipos de rotación de demostración de polarización alrededor de la dirección de propagación (flecha negra horizontal). (Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
Cuando los agujeros negros colisionan y se fusionan, pueden producir un exceso de ondas gravitacionales con una polarización, rompiendo así individualmente la simetría especular. Sin embargo, cuando estos excesos se consideran en masa, si el Principio Cosmológico es correcto y la simetría especular es omnipresente en todo el cosmos, entonces estos excesos deberían anularse mutuamente. Sin embargo, si, como en el fútbol, las fusiones de agujeros negros presentan una asimetría especular, eso podría sugerir que el Principio Cosmológico no se cumple, y si ese es el caso, ¿quién sabe qué otras teorías basadas en este principio están equivocadas?
Espejo Espejo
Para comprobar si las ondas gravitacionales procedentes de fusiones de agujeros negros demuestran efectivamente una lateralidad que rompe la simetría especular, Bustillo y sus colegas midieron la polarización de las ondas gravitacionales procedentes de 47 fusiones de agujeros negros.Los datos recogidos por LIGO y Virgo demostraron que las ondas gravitacionales anulan efectivamente el exceso de lateralidad, sin mostrar ninguna preferencia direccional. Pero puede que el Principio Cosmológico aún no esté a salvo. Las estadísticas son muy limitadas, por lo que las incertidumbres siguen siendo grandes», afirma en el comunicado Nicolas Sanchis-Gual, de la Universidad de Valencia. «Este partido de fútbol cósmico está lejos de terminar».
Una ilustración muestra el giro de los agujeros negros en un sistema de fusión y su reflejo que preserva la simetría especular. (Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))El equipo descubrió una fusión de agujeros negros que rompía individualmente la simetría especular. Este suceso estaba relacionado con la señal de ondas gravitacionales denominada GW200129. No fue una gran sorpresa, ya que durante mucho tiempo se ha considerado que se trataba de una fusión extraña, asimétrica y desigual. El equipo cree que el 82% de las fusiones de agujeros negros que observaron deben mostrar ondas gravitacionales zurdas o derechas, aunque no pudieron identificar estos sistemas.
«Es natural que GW200129 rompa la simetría especular, ya que se sabe que este sistema tiene un plano orbital en precesión [tambaleante] », afirma en el comunicado Koustav Chandra, miembro del equipo y científico de la Universidad Estatal de Pensilvania. «Sin embargo, nuestro resultado indica que muchas fusiones también la rompen, lo que sugiere que éstas también podrían tener planos orbitales en precesión». “Estos resultados inesperados podrían tener implicaciones de gran alcance, ya que la precesión es una firma de la formación jerárquica de agujeros negros”.
Mientras que la relatividad general es la mejor descripción que tenemos de la gravedad y el cosmos a gran escala, la física cuántica es la mejor descripción que tiene la humanidad del universo subatómico. Sin embargo, por muy sólidas que sean ambas teorías, no se unen. En un estudio anterior, demostramos que las fusiones asimétricas de espejos podrían producir una emisión neta de fotones polarizados desde el vacío cuántico a través de un proceso similar a la radiación de Hawking», explica del Río. «Nuestro estudio ha identificado la primera fuente viable – GW200129 – que puede producir este efecto».
La investigación del equipo se publicó el 23 de enero en la revista Physical Review Letters.
