La Detección de Ecos de Ondas Gravitacionales Apoya la Estructura del Espaciotiempo a Escala de Planck Predicha por la Gravedad Cuántica

Por: Edwin Cartlidge, escritor científico residente en el Reino Unido

La primera detección de ondas gravitacionales en 2015 generó una gran expectación porque confirmó una antigua predicción de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein y abrió una forma completamente nueva de observar el universo. Los físicos también han estado examinando los datos del creciente número de detecciones de ondas gravitacionales en busca de "ecos", cuya existencia podría significar que nuestra comprensión de la relatividad es incompleta. Físicos de Canadá e Irán han encontrado pruebas tentativas de tales ecos de ondas gravitacionales procedentes de agujeros negros en colisión, y ahora dicen que existe una señal más fuerte en los datos procedentes de estrellas de neutrones en colisión.

"Hasta ahora todos los que han buscado ecos los han encontrado, incluido el grupo LIGO".

-Niayesh Afshordi, de la Universidad de Waterloo y del Instituto Perimetral de Física Teórica.

Muchos físicos creen que la relatividad general es incompleta porque está en desacuerdo con la mecánica cuántica, lo que lleva a la paradoja de la información cuando se consideran los campos gravitacionales extremos generados por los agujeros negros. La relatividad nos dice que cuando algo, incluida la luz, cruza el horizonte de sucesos de un agujero negro, la información que contiene se pierde para el resto del universo, para siempre. Pero la mecánica cuántica exige que la información no pueda crearse ni destruirse. Esto es un problema dada la existencia de la radiación de Hawking, que implica que los agujeros negros pueden evaporarse hasta convertirse en nada y, en el proceso, borrar toda la información que fluyó hacia ellos.

 

Si los ecos de las ondas gravitacionales existen, ello sugeriría que los agujeros negros no están limitados por un horizonte de sucesos clásico, sino por una estructura mecánica cuántica a escala de Planck. Una de estas estructuras propuestas por los teóricos es el "cortafuegos", que destruiría cualquier objeto que lo atravesara pero retendría la información de ese objeto y lo mantendría fuera del agujero negro. Sin embargo, los cortafuegos son controvertidos. Aunque los físicos están de acuerdo en que la mecánica cuántica entra en juego en el interior de los agujeros negros -aunque sea imposible ver sus efectos-, son muy escépticos sobre su papel fuera del horizonte de sucesos.

Rebote de barrera

Los ecos de las ondas gravitacionales se crearían gracias a la presencia de la estructura a escala de Planck, o "membrana", y a lo que se conoce como la barrera del momento angular. Esta última es una frontera situada a una distancia aproximadamente 1,5 veces mayor que el horizonte de sucesos (normalmente a unos 200 km del centro de un agujero negro) que predice la relatividad y que confina parcialmente las ondas gravitacionales. Cualquier onda saliente generada entre el horizonte de sucesos y la barrera normalmente rebotaría en la barrera y luego pasaría a través del horizonte, para no volver a ser vista. Pero la membrana, situada a una longitud de Planck del horizonte, reflejaría la onda, permitiéndole rebotar de nuevo en la barrera o, lo que es menos probable, atravesar la barrera hacia el espacio.

Como resultado, la barrera puede actuar como un espejo semirreflectante que libera una pequeña fracción de la energía de las ondas gravitacionales en el espacio después de cada reflexión de la membrana. Esto aparecería como débiles ráfagas de radiación gravitacional -los ecos- separadas por un intervalo de tiempo bien definido que sólo depende de la masa del agujero negro y de su velocidad de giro.

Esta propuesta se basa en una idea presentada originalmente por Vitor Cardoso, de la Universidad de Lisboa (Portugal), y sus colegas en febrero de 2016, apenas un par de semanas después de que la colaboración LIGO, en Estados Unidos, anunciara la primera detección de ondas gravitacionales. Luego, en diciembre de ese año, Niayesh Afshordi, de la Universidad de Waterloo y el Instituto Perimetral de Física Teórica de Canadá, y sus colegas dijeron que tenían pruebas que respaldaban la idea, afirmando haber encontrado una señal de 2,5σ para los ecos en las ondas gravitacionales de tres pares de agujeros negros en fusión, incluyendo la que se vio en la primera detección.

¿Consistente con el ruido?

Esa afirmación se encontró con el escepticismo de nueve miembros de la colaboración LIGO, que hicieron su propio análisis de los datos. Incluyeron más fondo que el considerado por el equipo de Afshordi y sus colegas, y encontraron una señal, pero con menos importancia: alrededor de 2σ. El resultado, según el equipo de LIGO, era "totalmente coherente con el ruido". Por tanto, concluyeron que el análisis rival "no aportaba ninguna prueba observacional de la existencia de una estructura a escala de Planck en los horizontes de los agujeros negros".

Sin inmutarse, Afshordi y su colega Jahed Abedi, de la Universidad Tecnológica Sharif de Teherán, buscaron ecos en los datos de las estrellas de neutrones en fusión anunciadas a bombo y platillo por LIGO y Virgo en Italia en octubre de 2017. En primer lugar, calcularon el rango de frecuencias de eco esperadas y los retrasos de tiempo entre la fusión y el eco: 60-90 Hz y hasta 1 s, respectivamente (esto último depende de si las estrellas de neutrones colapsaron directamente para formar un agujero negro o si primero produjeron una estrella de neutrones muy masiva). A continuación, analizaron el conjunto de datos para averiguar si había ondas que cumplieran esos criterios. Tal y como informaron recientemente en el servidor arXiv, efectivamente encontraron una señal de este tipo: a 72 Hz, alrededor de 1 s después de la fusión. Además, sólo encontraron algunos patrones de repetición similares en otros momentos de los datos. Por ello, afirman que la señal tiene una importancia de 4,2σ.

Cardoso afirma que es "desconcertante" que los ecos de las estrellas de neutrones tengan mayor importancia que los de los agujeros negros en fusión, dado que esta última señal era más intensa. También advierte que las ondas repetidas podrían ser una consecuencia de la física convencional, como "la radiación de los restos de la fusión". No obstante, sostiene que la perspectiva de una nueva física hace que estas búsquedas merezcan la pena. "Sería absurdo no profundizar en esto", afirma.

Afshordi admite que le sorprendió encontrar una señal tan fuerte en los datos de la estrella de neutrones, y reconoce que se necesitarán nuevas observaciones de LIGO y Virgo para resolver la cuestión. Pero sostiene que las pruebas se están acumulando, señalando que otro grupo, en la Universidad de Toronto, ha visto 3σ pruebas de los ecos. "Hasta ahora todos los que han buscado ecos los han encontrado, incluido el grupo de LIGO", sostiene. "Todavía no tenemos un grupo que no encuentre nada".

Artículo: Echoes from the Abyss