El 14 de gener de 2025, els instruments del observatori d'ones gravitacionals LIGO, als Estats Units, van detectar un nítid senyal associat a un dels esdeveniments més violents de l'univers: dos forats negres situats a uns 1 300 milions d'anys llum havien col·lidit, deixant un rastre inequívoc de la seua posterior fusió.

Denominada GW250114 (en referència a la data de la seua observació), este senyal d'ones gravitacionals ha permés conéixer amb major precisió les masses i velocitats de rotació dels forats negres inicials i el resultant de la seua fusió. A més, s'ha aconseguit confirmar una de les més importants prediccions de Stephen Hawking sobre l'àrea dels forats negres. És, fins al moment, el senyal més nítid de la fusió de dos colossos còsmics.

Els resultats de la sensacional troballa han sigut publicats en la revista Physical Review Letters, en la redacció de la qual han participat més d'1 700 autors pertanyents a 318 centres d'investigació i universitats de tot el món.

Però quin senyal s'ha detectat? Què són les ones gravitacionals i com s'originen estes pertorbacions en el cosmos?

Oscil·lacions inferiors a la grandària d'un àtom

Quan un astre massiu –com els forats negres que s'han detectat– presenta un moviment d'acceleració, es generen unes pertorbacions característiques que viatgen per l'univers a la velocitat de la llum, comprimint i estirant l'espai al seu pas. L'efecte seria similar al de llançar una pedra a un estany, on les ones es propaguen des del punt d'impacte cap a l'exterior.

Estes ones gravitacionals són conseqüència natural de la teoria de la relativitat general, encara que el mateix Einstein no creia que fora factible detectar-les a causa de l'extrema debilitat d'estes ondulacions.

Fins i tot en esdeveniments còsmics tan violents com la col·lisió de dos forats negres o estreles de neutrons, l'amplitud de les pertorbacions que aconseguirien la Terra seria mil vegades menor que la grandària d'un protó.

Caldria esperar 100 anys des de la predicció d'Einstein per a descobrir estos nous missatgers en el cosmos, obrint una nova era en l'observació de l'univers.

Interferometría òptica per làser

No era tasca fàcil la troballa d'estes ínfimes pertorbacions de l'espaitemps, ja que els investigadors necessitaven instruments capaços de detectar oscil·lacions de la grandària del attómetro o d'una trillonésima part del metre.

I com es va aconseguir semblant gesta tecnològica, tan impensable en els anys posteriors al desenrotllament de la teoria de la relativitat general?

La resposta està en la interferometría òptica per làser, una tècnica de mesurament ultraprecisa consistent a fer superposar dos o més feixos de llum per a crear un patró típic de màxims i mínims. L'anàlisi detallada d'este patró interferencial permet determinar grandàries inferiors al d'un àtom.

El fonament teòric de la interferència òptica és fàcil d'entendre. Quan les crestes de les ones d'un feix lluminós coincidixen perfectament amb les valls de l'altre feix, es produïx una interferència destructiva total o mínim. Per contra, quan les crestes d'un feix coincidixen perfectament amb les de l'altre, es produïx una interferència constructiva total o màxim.

A mesura que les ones es desplacen l'una sobre l'altra es genera un ampli ventall d'interferències, la qual cosa es traduïx en diferents intensitats o lluentors en el patró interferencial, des dels mínims destructius fins als màxims constructius.

Detectors d'ones gravitacionals

Sobre la base d'este principi bàsic interferencial operen els detectors d'ones gravitacionals del món, entre els quals destaquen LIGO als Estats Units (amb dos instruments idèntics separats uns 3 000 quilòmetres), VIRGO a Itàlia i KAGRA al Japó. Estos tres observatoris treballen de manera conjunta (el consorci LVK) i ha aconseguit identificar fins a la data unes 300 fusions de forats negres.

Estan construïts seguint el disseny d'un interferòmetre de Michelson, on cada fes làser recorre una determinada distància o braç abans d'interferir i produir el corresponent patró de màxims i mínims. En el cas de LIGO, cada braç té una longitud d'uns 4 quilòmetres.

Quan una ona gravitacional incidix des de la part superior de l'interferòmetre, els braços del dispositiu s'estiren i contrauen al seu pas, produint variacions del patró interferencial de màxims i mínims. Estes ínfimes pertorbacions permeten l'estudi dels senyals d'ones gravitacionals, així com dels esdeveniments còsmics que les originen.

GW250114, el senyal més potent

Deu anys després de la detecció del primer senyal d'ones gravitacionals GW150914, la instrumentació millorada de LIGO (incloent avanços en enginyeria quàntica de precisió) ha permés augmentar la sensibilitat de l'interferòmetre, reduint considerablement el soroll del senyal.

En este sentit, la relació senyal-soroll (o SNR per la seua sigles en anglés) de GW250114 és fins a tres vegades major que la de GW150914, constituint el senyal d'ona gravitacional més potent detectada fins a la data.

I quina informació portava eixa nítida GW250114?

Com apuntàvem al principi, una anàlisi exhaustiva del senyal ha determinat que dos forats negres d'entre 30 i 40 masses solars van col·lidir a uns 1 300 milions d'anys llum de la Terra. Este estudi previ a la fusió és de menor dificultat, ja que a mesura que giren en espiral, els forats negres progenitors van pertorbant l'espaitemps i generant ones gravitacionals.

La verdadera dificultat radica una vegada que s'ha produït la fusió, perquè el senyal no és tan clara. Durant esta nova fase, coneguda com a fase de relaxació, el forat negre resultant vibra com una campana colpejada, generant diferents modes d'ones gravitacionals.

En particular, els investigadors van aconseguir identificar amb seguretat dos modes de vibració, permetent calcular la velocitat de rotació i la massa del forat negre final, la qual va resultar ser d'unes 63 masses solars.

L'àrea dels forats negres mai decreix

Una vegada conegudes les masses i velocitats de rotació dels forats negres, els investigadors són capaços de calcular l'àrea d'estos fascinants objectes còsmics.

En el cas del senyal GW250114, les anàlisis posteriors van determinar que els forats negres inicials tenien una superfície total de 240 000 quilòmetres quadrats (aproximadament la grandària del Regne Unit), mentres que la superfície del forat negre resultant va resultar ser d'uns 400 000 quilòmetres quadrats (quasi la grandària de Suècia).

Estos resultats són compatibles amb el denominat “teorema de l'àrea del forat negre”, una idea proposada per Stephen Hawking en 1971 que afirma que la superfície total dels forats negres no pot disminuir. Quan els forats negres es fusionen, les seues masses es combinen, augmentant la seua superfície.

En 2021 es va realitzar una comprovació inicial emprant les dades del primer senyal GW150914, amb un nivell de confiança del 95 %. Després de l'anàlisi del nou senyal GW250114, este nivell ha aconseguit el 99,999 %, la qual cosa implica que ara estem molt més segurs que Stephen Hawking tenia raó.

Lamentablement, el físic britànic va morir en 2018, anys abans que el seu teorema de l'àrea dels forats negres fora confirmat experimentalment.

Detectors d'ones gravitacionals en l'espai

En un futur pròxim, la detecció d'ones gravitacionals de baixa freqüència (inaccessibles per als interferòmetres terrestres com LIGO) serà una prioritat en astrofísica, perquè permetrà descobrir sistemes binaris ultracompactos en la nostra galàxia o fusions de forats negres supermasivos en els centres galàctics.

Per a això, les agències espacials NASA i EIXA estan duent a terme un projecte conjunt per a construir un interferòmetre en l'espai. Es dirà LISA (Laser Interferometer Space Antenna) i constarà de tres naus espacials, orbitant a cinc milions de quilòmetres entre si i formant un triangle equilàter.

LISA utilitzarà un interferòmetre làser, similar en principi als detectors terrestres com LIGO, però amb braços molt mes llargs per a aconseguir la sensibilitat necessària que permeta detectar les ones gravitacionals de baixa freqüència.

El 14 de setembre de 2015 es va obrir una nova finestra a l'observació del cosmos, i no hi ha dubte que el seu futur és molt prometedor.

Óscar del Vaixell Vedell, Professor associat. Departament de Física (àrea d'Òptica)., Universitat de Múrcia

Este article va ser publicat originalment en The Conversation. Llija el original.