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25 de Marzo de 2018
Física

¿Ecos en el horizonte?

Las ondas gravitatorias han inaugurado nuevas formas de examinar las propiedades de los agujeros negros, y con ellas a la propia teoría de la relatividad general.

La conciliación de la relatividad general y la mecánica cuántica choca con las extrañas circunstancias del horizonte de sucesos (la frontera) de un agujero negro [James O'Brien for Quanta Magazine, fragmento].

Todos tenemos el mismo sueño, aquí en la física teórica. Soñamos en el día en que una de nuestras ecuaciones se compara con los datos y da de lleno en el blanco. Es raro que el sueño se haga realidad. Y cuando lo hace, algunos ya no están vivos para entonces.

Piénsese, por ejemplo, en Albert Einstein, que murió en 1955, 60 años antes de que la consecuencia más asombrosa de sus ecuaciones se confirmase. El espaciotiempo tiene perturbaciones periódicas (ondas gravitatorias) que transportan energía a través de miles de millones de años. 

Desde la colisión de agujeros negros de septiembre de 2015, el equipo del Observatorio del Interferómetro Láser de Ondas Gravitatorias (LIGO) ha informado de cinco sucesos más (un sexto se quedó por poco debajo de ser significativo estadísticamente). Pero los datos del LIGO siguen siendo territorio virgen. Es una forma completamente nueva de decodificar el universo, y los físicos, junto con las mediciones, deben desarrollar métodos para analizar los datos.

No es una tarea sencilla. Medir ondas gravitatorias no es el tipo de descubrimiento que se hace por accidente. Pero ahora que tienen los datos, los físicos pueden saber más gracias a ellos sobre la astrofísica de los agujeros negros y las estrellas de neutrones, incluidas localizaciones, masas y composiciones. Han medido la expansión del universo y realizado comprobaciones muy precisas de la teoría de la relatividad general de Einstein. La teoría ha pasado todas las pruebas. Hasta ahora.

Pero las mismas mediciones que han confirmado tan espectacularmente la teoría de Einstein podrían también, quizá, destapar algo que no va bien. Los físicos saben que la relatividad general deja de funcionar cerca del centro de un agujero negro. Sin embargo, el centro de un agujero negro es famoso precisamente porque es ese sitio donde nunca podremos mirar. Lo protege el horizonte del agujero negro, la superficie que lo rodea y por la que la luz no puede escapar. En la relatividad general el horizonte de un agujero negro no tienen sustancia, no es un obstáculo: el agujero negro, simplemente, se traga lo que se atreva a cruzar el horizonte.

La mayoría de los físicos cree que la relatividad general describe correctamente los horizontes de los agujeros negros. Sin embargo, algunos han defendido que unas contradicciones entre la relatividad general y la teoría cuántica significan que alguna otra cosa debe de estar ocurriendo ahí. En particular, la idea de que los agujeros negros están rodeados por un «muro de fuego» [firewall, un muro cortafuegos, pero la interpretación más al pie de la letra de la palabra inglesa proporciona en castellano una metáfora conveniente para algunos aspectos del concepto que se quiere expresar así], aunque controvertida, ha motivado que se trabaje en descripciones alternativas del horizonte.

Si el horizonte de un agujero negro está obstruido por alguna especie de muro cortafuegos, cabe pensar que en él podrían rebotar las ondas gravitatorias.Si esa así, LIGO debería ver pruebas de esas modificaciones. En particular, una colisión entre dos agujeros negros debería producir un eco.

Esa es la idea básica propuesta por dos grupos de físicos, no relacionados entre sí, el de Vítor Cardoso y el de Niayesh Afshordi. Valiéndose de modelos sencillos de un horizonte con sustancia, mostraron que algunas de las ondas gravitatorias emitidas por una colisión de agujeros negros debería reflejarse hacia el centro del agujero. Las ondas se reflejarían de nuevo, esta vez hacia fuera, donde de nuevo algunas se reflejarían de nuevo en el horizonte. El agujero negro actuaría como una cavidad resonante con un espejo semitransparente en un extremo. Emitiría señales periódicas con amplitud decreciente. Un eco.

Esta es la teoría. ¿Y los datos? A finales de 2016, Afshordi y sus colaboradores aplicaron a los datos disponibles públicamente del LIGO un análisis específicamente concebido y buscaron indicios de ecos. No poco sorprendentemente, encontraron ecos justo donde los buscaban. La señal no era muy significativa (calcularon que había un 1 por ciento de que fuera mero ruido), pero no obstante era una señal.

Era una aseveración a lo grande, una aseveración atrevida. Si es correcta, sería una prueba de que la teoría de Einstein falla.

Unas semanas después de que el grupo de Afshfordi publicase su trabajo. miembros de la colaboración del LIGO sacaron una réplica que expresaba dudas sobre el análisis de Ashfordi [que contrarreplicaba a su vez poco después]. El equipo del LIGO decidió efectuar el suyo propio. Pero las colaboraciones en las que intervienen mucha gente trabajan despacio, así que les ha llevado más de un año terminarlo y conseguir la aprobación de la colaboración para publicar el resultado.

Entre las propuestas para resolver las contradicciones que se crean al intentar entender la pérdida de información que parece seguirse de la radiación de los agujeros negros predicha por Stephen Hawking, algunas sustituyen el concepto clásico de agujero negro por distintas versiones conocidas en conjunto con el acrónimo ECO, de <em>objeto compacto exótico</em>. Unos físicos creen que producirían ecos detectables en la señal de las ondas gravitatorias captadas por el LIGO [James O’Brien para <em>Quanta magazine</em>].El análisis del LIGO ya está disponible. Han encontrado el eco, pero con una significación estadística aún inferior a la de antes. Concluyen que hay una posibilidad en cincuenta de que el eco sea mero ruido. Además, el indicio más fuerte del eco apareció en el suceso que menos significativo era estadísticamente. Cuando eliminan este, la probabilidad de que el eco no sea real es de casi un 20 por ciento.

Para que un análisis de datos así sea factible, hay que hacer suposiciones acerca de la señal que se busca. Inspirados por el modelo de Afshordi, los investigadores supusieron que los ecos tenían que producirse a intervalos regulares, que decaen exponencialmente y que permanecen inalterados (aparte de la disminución de la amplitud). En muchos aspectos, buscan el eco más sencillo posible.

Los teóricos podrían revisar ahora el análisis de los datos y crear hipótesis que encajen mejor con los dato. Pero reanalizar los mismos datos una y otra vez supone un gran riesgo: en vez de crear una teoría mejor, a lo peor solo encuentran una forma de amplificar mejor el ruido.

Cuántos más tipos de ecos busquen, más probable será que encuentren algo. Pero esos intentos repetidos harán que las medidas de la significatividad estadística no sean fiables.

La única forma de salir de ese callejón sin salida es con datos nuevos. Harán falta muchas más repeticiones de este intercambio entre la teoría y la experimentación para que se pueda zanjar la cuestión.

Hasta ahora, tanto los experimentadores como los teóricos han sentido que el intercambio ha sido fructífero. «Vamos adelante a toda marcha con la construcción de modelos teóricos de los ecos y la elaboración de métodos mejores para buscarlos», dice Afshordi [su última contribución es de este mismo mes de marzo] Señala que otro grupo ha encontrado también indicios de ecos en los datos del LIGO, de los que dicen que la probabilidad de que sean un falso positivo es de menos de 1 por ciento.

Mientras, Ofek Birnholtz, investigador de la colaboración del LIGO, dice que «ha habido tensiones, ciertamente», pero la idea de que hay ecos en los agujeros negros «es merecedora, sin duda, de que se ahonde en ella». La busca de ecos de los agujeros negros se ha convertido en uno de los objetivos oficiales de la Colaboración Científica LIGO.

Todos tenemos el mismo sueño, aquí en la física teórica.

Sabine Hossenfelder / Quanta Magazine

Artículo traducido y adaptado por Investigación Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «Low significance of evidence for black hole echoes in gravitational wave data», de Julian Westerweck et al., en arXiv:1712.09966 [gr-qc], y «Black Hole Echology: The Observer's Manual», de Qingwen Wang y Niayesh Afshordi, en arXiv:1803.02845 [gr-qc]. 

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