Cómo fusionar dos agujeros negros de forma sencilla

Si hubiese que escoger la noticia científica más relevante y mediática del año 2016, los hallazgos de ondas gravitacionales tendrían todas las papeletas para llevarse el primer puesto.

Las dos señales presentadas hasta ahora proceden de la colisión y fusión de dos agujeros negros en algún lugar remoto del universo. La primera detección se anunció en febrero y la segunda en junio, ambas por los científicos del Observatorio por Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO) de EE UU.

Para determinar los patrones de estas ondas y simular cómo se producen esas misteriosas fusiones –un fenómeno característico de la teoría de la relatividad general de Einstein– los científicos emplean los mejores supercomputadores, como el MareNostrum de Barcelona –el más potente de España–, pero podría haber otras vías menos complicadas.

Los físicos Roberto Emparan y Marina Martínez de la Universidad de Barcelona han hallado una forma sencilla y exacta de tratar el horizonte de sucesos de una fusión en la que uno de los agujeros negros es mucho más pequeño que el otro.

Unión de horizontes

El horizonte de sucesos es la frontera que caracteriza a un agujero negro, de tal forma que los eventos en su interior no pueden afectar a un observador situado fuera, pero sí al revés. Cuando dos agujeros negros se fusionan, sus horizontes de sucesos se unen para formar uno solo.

“Sorprendentemente, las ideas y las técnicas empleadas en nuestro trabajo son elementales y permiten estudiar en detalle las propiedades del horizonte en el instante en que ambos agujeros negros se unen en uno solo”, destaca Emparan, que junto a su colega publica los resultados en la revista Classical and Quantum Gravity.

Las ecuaciones que utilizan para resolver el problema se basan en conocimientos elementales para los físicos, tales como la definición del horizonte de sucesos y el denominado principio de equivalencia, que está en la base de la teoría de la gravedad de Einstein.

Según esta idea, un observador no puede distinguir si está en caída libre en un campo gravitatorio, o si en cambio está flotando en el espacio lejano. Esto nos es familiar por las imágenes de los astronautas en la Estación Espacial Internacional. Su ingravidez aparente no se debe a su distancia a la Tierra –la gravedad a la altitud de la estación es un 90% de la fuerza en la superficie terrestre– sino al hecho de que la estación en órbita, y sus astronautas dentro, están en movimiento libre en el campo gravitatorio de la Tierra.

Un comportamiento universal de dos agujeros en contacto

De la misma manera, en este estudio el agujero negro pequeño que cae en otro mucho mayor no distingue esta caída de otra situación en la que estuviera flotando él solo en el espacio, lo que permite simplificar mucho la descripción del fenómeno.

Para describir el horizonte de sucesos, Emparan y Martínez han utilizado elementos de geometría en su estudio. En concreto, el horizonte se obtiene trazando líneas geodésicas nulas en la denominada métrica de Schwarzschild, la solución de las ecuaciones de campo que planteó Einstein para describir el campo gravitatorio de un agujero negro.

Según los autores, con estos resultados es fácil identificar muchas propiedades de la geometría del horizonte de sucesos en el instante en que los dos agujeros negros se fusionan, y lo que es más importante, “indican la existencia de un comportamiento universal, genérico, de lo que ocurre cuando contactan dos agujeros negros en cualquier parte del universo”.