Dos agujeros negros se fusionan

Cómo dos agujeros negros se acercan en espiral, sacuden el propio espacio y se oyeron en la Tierra 1300 millones de años después

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Paso a paso

Una pareja de agujeros negros

Cada uno es lo que queda de una estrella masiva. El horizonte del mayor mide unos 210 km de ancho y el del menor unos 170 km, no más que una ciudad; aun así, alrededor de cada uno la luz de las estrellas del fondo se curva en arcos y anillos. Aún se discute cómo llegan a girar juntos dos agujeros así: pueden haber nacido como una pareja de estrellas gigantes o haberse encontrado en un cúmulo de estrellas muy poblado.

Nada los empuja desde fuera. Su órbita pierde energía en las ondas que crea en el propio espacio, así que se encoge, despacio al principio y cada vez más deprisa. A esta distancia les quedan unos cincuenta minutos.

Ondas en el espacio

Al girar, sacuden el propio espacio. Las ondas gravitacionales se propagan a la velocidad de la luz, estirando el espacio en una dirección y comprimiéndolo en la otra, dos veces por vuelta.

La teoría general de la relatividad de Albert Einstein predijo estas ondas en 1916. Toda masa que cambia su movimiento las emite, pero solo masas enormes que se mueven muy deprisa producen ondas lo bastante fuertes como para importar. Aquí se dibujan sobre el plano de la órbita, en dorado donde el espacio se estira y en azul donde se comprime; cada parte muestra lo que hacía la pareja cuando esa parte de la onda partió.

Las ondas se llevan energía, y esa energía sale de la órbita. Aun así, incluso a un millón de kilómetros estiran el espacio solo una parte en un millón. Estas ondas lentas, que suben y bajan más o menos una vez por segundo, son demasiado lentas para que las note ningún detector en la Tierra.

Cada vez más deprisa

Tiempo acelerado: al encogerse, la órbita se acelera y las ondas se hacen más fuertes. En sus últimos cincuenta minutos los agujeros pasan de estar a 10.000 km a unos 900, girando 17 veces por segundo.

Cuanto más cerca están, más rápido se mueven y más fuertes son las ondas que emiten, así que la órbita pierde energía aún más deprisa. La espiral se desboca: la mayor parte de estos cincuenta minutos transcurre en vueltas amplias y lentas, y los últimos mil kilómetros duran menos de un tercio de segundo.

El tono de las ondas es el doble de las vueltas por segundo de la órbita. Cuando supera unos 30 ciclos por segundo, lo bastante rápido para los detectores de LIGO, los agujeros se mueven a un tercio de la velocidad de la luz uno respecto del otro.

La última quinta parte de un segundo

Ralentizado unas setenta veces: en su última quinta parte de segundo los agujeros dan cinco vueltas más y se acercan hasta unos 320 km, a más de la mitad de la velocidad de la luz.

Esta es la parte de las ondas que oyó LIGO: unos diez ciclos en una quinta parte de segundo, con el tono subiendo de unos 35 a 150 ciclos por segundo y la intensidad creciendo sin parar. Convertida en sonido, sube como el trino de un pájaro, y por eso los científicos la llaman «chirp».

Tan juntos, los agujeros curvan el espacio con tanta fuerza que las fórmulas sencillas de la espiral dejan de valer. Solo los superordenadores que resuelven las ecuaciones de Einstein pueden seguirlos hasta el final. Los científicos hallaron las masas, 36 y 29 soles, comparando lo que midió LIGO con miles de esas simulaciones.

Dos se hacen uno

Los horizontes se tocan y se funden. Tres soles de masa se han convertido ya en ondas gravitacionales, la mayor parte en la última quinta parte de segundo; en su máximo llevan más potencia que todas las estrellas del universo observable.

En el máximo, las ondas se llevan unos 3,6 × 10⁴⁹ vatios, unas cincuenta veces la luz de todas las estrellas del universo observable juntas, aunque solo durante unas milésimas de segundo. En total, 36 y 29 soles dieron un agujero de 62: los tres que faltan se fueron en forma de ondas.

La fusión en sí se dibuja aquí de forma sencilla. Las simulaciones en superordenadores muestran lo que ocurre de verdad: los dos horizontes se unen en uno solo, deforme, que enseguida recupera su forma. En todo el proceso no escapa nada más que las ondas: dos agujeros negros que se fusionan en el espacio vacío no emiten ninguna luz.

Un agujero negro

Queda un solo agujero negro de 62 soles, cuyo horizonte gira unas 100 veces por segundo. Sonó como una campana golpeada, a unos 250 ciclos por segundo, y se quedó en silencio casi al instante.

Ese sonido es el nuevo horizonte recuperando su forma. Su tono y lo rápido que se apaga dependen solo de la masa y el giro del agujero, tal como predice la relatividad general, y lo que oyó LIGO coincide.

Stephen Hawking demostró en 1971 que el área total de los horizontes de los agujeros negros nunca puede disminuir. Aquí los dos horizontes sumaban unos 230.000 km²; el nuevo tiene unos 370.000 km², más, aunque se perdieron tres soles de masa. En 2025 una fusión más nítida, GW250114, lo confirmó con más claridad que nunca.

Hacia el universo

Las ondas se alejan a la velocidad de la luz, debilitándose al extenderse. En poco más de un segundo han recorrido la distancia de la Tierra a la Luna; en ocho minutos, la de la Tierra al Sol.

Su intensidad disminuye en proporción a la distancia: diez veces más lejos, diez veces más débiles. A diferencia de la luz, atraviesan estrellas, gas y polvo como si no hubiera nada, así que llegan tal como partieron, solo que más débiles.

Viajaron durante 1300 millones de años. Cuando partieron, la vida en la Tierra era todavía casi toda unicelular. Por el camino el universo creció y las estiró con él: llegaron un 9 % más largas y más graves de lo que partieron, algo que los científicos tienen en cuenta al calcular las masas.

LIGO lo oye

El 14 de septiembre de 2015 a las 09:50:45 UTC, las ondas barrieron la Tierra desde el cielo austral. El detector de LIGO en Livingston (Luisiana) las notó primero; el de Hanford (Washington), a 3000 km, 7 milésimas de segundo después.

Cada detector de LIGO es una L de dos brazos de 4 km, con luz láser que los recorre de un extremo a otro. Una onda que pasa estira un brazo mientras comprime el otro; en el máximo, estos brazos cambiaron de longitud cerca de una milésima del ancho de un protón, y LIGO lo midió.

Como las ondas viajan a la velocidad de la luz, los 7 ms entre los detectores situaron la fuente en un anillo del cielo austral; con dos detectores no se podía precisar más. Era de noche en América: las 4:50 de la madrugada en Luisiana. Aquí el tiempo transcurre unas sesenta veces más despacio.

Cientos más

Era la primera vez que alguien detectaba ondas gravitacionales, un siglo después de que Einstein las predijera. En 2025 los detectores ya habían oído unas 300 fusiones de agujeros negros, una cada pocos días.

El descubrimiento valió a Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne el Premio Nobel de Física de 2017. LIGO escucha ahora junto con Virgo, en Italia, y KAGRA, en Japón: con tres o más detectores, una fuente se sitúa en el cielo con mucha más precisión.

La pareja más pesada oída hasta ahora, GW231123, formó un agujero negro de unos 225 soles. En 2017 se oyó chocar a dos estrellas de neutrones, y los telescopios captaron después la luz de la explosión, donde se forjan elementos pesados como el oro.