El 14 de septiembre de 2015, una señal llegó a la Tierra llevando información sobre una colisión entre dos agujeros negros lejanos. Esta señal había viajado unos 1.300 millones de años a la velocidad de la luz, pero no era luz. Era otro tipo de señal: un temblor del espacio-tiempo conocido como ondas gravitacionales, predicho por Albert Einstein cien años antes. Aquel día, hace ya diez años, los dos detectores gemelos del Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO) realizaron la primera detección directa de ondas gravitacionales. Las colaboraciones LIGO y Virgo lo anunciaron al mundo en febrero de 2016, tras seis meses de análisis y verificación.

El histórico hallazgo quería decir que los investigadores e investigadoras ahora podían empezar a percibir el universo a través de tres canales diferentes. Ya se habían captado antes ondas de luz —rayos X, luz visible, ondas de radio y otras longitudes de onda—, así como partículas de alta energía llamadas rayos cósmicos y neutrinos. Por primera vez la comunidad científica era testigo de un evento cósmico a través de la deformación gravitatoria del espacio-tiempo. Por este logro, soñado más de cuarenta años antes, tres de los fundadores de LIGO recibieron el Premio Nobel de Física en 2017: Rainer Weiss, del MIT, profesor emérito de física (que falleció recientemente a los 92 años); Barry Barish, de Caltech; y Kip Thorne, de Caltech.

LIGO, con detectores en Hanford (Washington) y Livingston (Luisiana), el detector Virgo en Italia y KAGRA en Japón operan de manera coordinada y actualmente observan de forma rutinaria aproximadamente una fusión de agujeros negros cada tres días. En conjunto, la red de búsqueda de ondas gravitacionales, conocida como LVK (LIGO, Virgo, KAGRA), ha registrado un total de más de 300 fusiones de agujeros negros, la mayoría ya confirmadas, mientras que otras esperan un análisis más detallado. Durante la actual campaña de observación científica de la red, la cuarta desde la primera que tuvo lugar en 2015, LVK ha descubierto unas 230 fusiones de agujeros negros candidatas, más del doble de las registradas en las tres primeras campañas.

El espectacular aumento del número de descubrimientos de LVK durante la última década se atribuye a varias mejoras en sus detectores, algunas de ellas basadas en ingeniería de precisión cuántica de última generación. Estos interferómetros de ondas gravitacionales continúan siendo, con diferencia, los instrumentos de medida más precisos jamás creados por el ser humano. Las distorsiones del espacio-tiempo inducidas por las ondas gravitacionales son increíblemente minúsculas. Para detectarlas, LIGO y Virgo deben ser capaces de medir cambios en el espacio-tiempo menores que una diezmilésima parte del ancho de un protón. Esto es unas 700 billones de veces más pequeño que el grosor de un cabello humano.

La señal más clara hasta la fecha

La mejora en la sensibilidad de los instrumentos ha quedado demostrada en un descubrimiento reciente: la fusión de agujeros negros denominada GW250114 (14 enero 2025). El evento no era muy diferente de la primera detección de la historia (GW150914): en ambos casos se trataba de colisiones de agujeros negros, a unos 1.300 millones de años luz, con masas de entre 30 y 40 veces la de nuestro Sol. Pero, gracias a diez años de avances tecnológicos que han reducido el ruido instrumental, la señal de GW250114 es mucho más nítida.

“Lo podemos oír fuerte y claro, y eso nos permite poner a prueba las leyes fundamentales de la física”, dice Katerina Chatziioannou, miembro del equipo LIGO, profesora asistente de física en Caltech y William H. Hurt Scholar, y una de las autoras principales de un nuevo estudio sobre GW250114 publicado en la revista Physical Review Letters.

Al analizar las frecuencias de las ondas gravitacionales emitidas durante la fusión, la colaboración LVK fue capaz de obtener la mejor evidencia observacional registrada hasta la fecha del llamado teorema del área de los agujeros negros, propuesto por Stephen Hawking en 1971. El teorema establece que la superficie total de los agujeros negros no puede disminuir. Cuando los agujeros negros se fusionan, sus masas se combinan y, por tanto, la superficie crece. Sin embargo, el proceso de fusión también irradia energía en forma de ondas gravitacionales y además puede incrementar la velocidad de rotación del agujero negro resultante, lo que conduciría a reducir su área. El teorema de Hawking afirma que, pese a que estos efectos compiten, el área total debe aumentar en tamaño.

Más adelante, Hawking y el físico Jacob Bekenstein concluyeron que el área de un agujero negro es proporcional a su entropía (el grado de desorden). Estas ideas abrieron el camino a trabajos fundamentales en gravedad cuántica, que intentan unificar dos pilares de la física moderna: la relatividad general y la física cuántica.

En esencia, la detección (realizada solo por LIGO, ya que Virgo se encontraba en mantenimiento rutinario y KAGRA estaba fuera de servicio durante esta observación) permitió al equipo “oír” cómo dos agujeros negros crecían al fusionarse en uno solo, verificando el teorema de Hawking. Los agujeros negros iniciales tenían un área total de unos 240.000 km² (aproximadamente el tamaño del Reino Unido), mientras que el área final era de unos 400.000 km² (casi el tamaño de Suecia), un aumento claro. Este es el segundo test del teorema del área: una prueba inicial se realizó en 2021 con los datos de la señal GW150914, pero como aquellos datos no eran tan limpios, la confianza de los resultados fue del 95 %, frente al 99,999 % alcanzado ahora.

Kip Thorne recuerda que Hawking le llamó inmediatamente después de enterarse de la detección de ondas gravitacionales de 2015 para preguntar si LIGO podría poner a prueba su teorema. Hawking murió en 2018 y, lamentablemente, no llegó a ver la verificación observacional de su propuesta. “Si Hawking estuviera vivo, habría disfrutado viendo cómo aumenta el área de los agujeros negros fusionados”, dice Thorne.

La parte más complicada de este tipo de análisis tenía que ver con determinar la superficie final del agujero negro resultante. Las superficies de los agujeros negros antes de la fusión pueden deducirse con más facilidad mientras el sistema gira en espiral, agita el espacio-tiempo y produce ondas gravitacionales. Pero, una vez los agujeros negros se fusionan, la señal ya no es tan nítida. Durante la llamada fase de relajación (ringdown), el agujero negro final vibra como una campana golpeada.

En el nuevo estudio, los investigadores e investigadoras pudieron medir con precisión los detalles de la fase de relajación, lo que les permitió calcular la masa y la velocidad de rotación del agujero negro y, posteriormente, determinar su superficie. Más concretamente, pudieron, por primera vez, identificar con seguridad dos modos distintos de ondas gravitacionales en la fase de relajación. Estos modos se parecen a los sonidos característicos que haría una campana al ser golpeada: tienen frecuencias en parte similares, pero se amortiguan a ritmos distintos, lo que dificulta su identificación. La mejora de los datos de GW250114 permitió al equipo extraer los modos, lo que demostró que la relajación del agujero negro se produjo exactamente como predijeron los modelos matemáticos.

Giada Caneva Santoro, doctoranda en el IFAE, contribuyó a este análisis centrándose en las ondas gravitacionales posteriores a la fusión —la señal de relajación, fugaz pero llena de información— utilizando pyRing, uno de los dos códigos aplicados en este estudio. “La vibración del agujero negro final después de la coalescencia es una parte fascinante de la señal, fugaz pero cargada de información”, explica Caneva. “Analizarla es como utilizar una lupa para estudiar las regiones más extremas del espacio-tiempo. El reto de desarrollar las herramientas para escuchar esta melodía del agujero negro ha valido realmente la pena: es emocionante oír cómo el universo confirma la brillante idea de Hawking con tanta claridad.”

Otro estudio del LVK, enviado hoy a la revista Physical Review Letters, establece límites a un tercer tono más agudo previsto en la señal GW250114 y realiza algunas de las pruebas más rigurosas hasta la fecha sobre la precisión de la relatividad general a la hora de describir la fusión de agujeros negros.

“Analizar los datos de la deformación del espacio-tiempo de los detectores para identificar señales astrofísicas transitorias, enviar alertas para activar observaciones de seguimiento con telescopios o publicar resultados físicos a partir de información que puede llegar a cientos de eventos es un viaje bien largo”, añade Nicolas Arnaud, investigador del CNRS en Francia y coordinador de Virgo durante la cuarta campaña de observación. “Entre los muchos pasos complejos que requiere un marco tan exigente, veo a las personas detrás de todos estos datos, en particular a quienes están de guardia en todo momento velando por nuestros instrumentos. Hay científicos de LVK en todas las regiones, persiguiendo un objetivo común: literalmente, ¡el sol nunca se pone sobre nuestras colaboraciones!”

Empujando los límites

LIGO y Virgo también han descubierto estrellas de neutrones durante la última década. Como los agujeros negros, las estrellas de neutrones se forman durante la muerte explosiva de estrellas masivas, pero tienen menos masa y emiten luz. Cabe destacar que, en agosto de 2017, LIGO y Virgo observaron una colisión épica entre un par de estrellas de neutrones —una kilonova— que dispersó oro y otros elementos pesados por el espacio y atrajo la atención de decenas de telescopios en todo el mundo, que captaron luz desde rayos gamma de alta energía hasta ondas de radio de baja energía. Aquel evento de astronomía multimensajera fue el primero en el que, de un mismo fenómeno cósmico, se observaron tanto la luz como las ondas gravitacionales. Hoy, LVK continúa enviando alertas a la comunidad astronómica sobre posibles colisiones de estrellas de neutrones, y los telescopios buscan en el cielo indicios de una nueva kilonova.

“La red global de LVK es esencial para la astronomía de ondas gravitacionales”, afirma Gianluca Gemme, portavoz de Virgo y director de investigación del INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). “Con tres o más detectores funcionando al unísono, podemos localizar eventos cósmicos con mayor precisión, extraer información astrofísica más rica y emitir alertas más rápidas para seguimientos multimensajeros. En Virgo estamos orgullosos de contribuir a este esfuerzo científico mundial.”

Otros descubrimientos científicos de LVK incluyen: la primera detección de colisiones entre una estrella de neutrones y un agujero negro; fusiones asimétricas, en las que un agujero negro es significativamente más masivo que su compañera estrella de neutrones; el descubrimiento de los agujeros negros más ligeros conocidos, poniendo en cuestión la existencia de un llamado “vacío de masas” entre estrellas de neutrones y agujeros negros; y la fusión de agujeros negros más masiva observada hasta la fecha, con una masa final de 225 masas solares. Como referencia, el récord anterior de fusión más masiva tenía una masa combinada de 140 masas solares.

En los próximos años, los científicos de LVK esperan afinar todavía más sus instrumentos, ampliando su alcance cada vez más lejos en el espacio. También prevén aprovechar el conocimiento acumulado para construir otro detector de ondas gravitacionales, LIGO India. Mirando más allá, se está trabajando en el concepto de detectores aún mayores: el proyecto europeo Einstein Telescope planea construir uno o dos enormes interferómetros subterráneos con brazos de más de 10 kilómetros; el proyecto de Estados Unidos, Cosmic Explorer, sería similar al actual LIGO pero con brazos de 40 kilómetros. Observatorios de esta escala permitirían “oír” las primeras fusiones de agujeros negros del universo y, posiblemente, el eco de las sacudidas gravitacionales de los primeros instantes de nuestro universo.

“Es un momento extraordinario para la investigación en ondas gravitacionales: gracias a instrumentos como Virgo, LIGO y KAGRA, podemos explorar un universo oscuro que antes era completamente inaccesible”, dice Massimo Carpinelli, profesor en la Universidad de Milán-Bicocca y director del Observatorio Gravitacional Europeo en Cascina. “Los logros científicos de estos 10 años están impulsando una auténtica revolución en nuestra visión del Universo. Ya nos estamos preparando para una nueva generación de detectores como el Einstein Telescope en Europa y el Cosmic Explorer en Estados Unidos, así como para el interferómetro espacial LISA, que nos llevará aún más lejos en el espacio y atrás en el tiempo. En los próximos años, sin duda podremos afrontar estos retos extraordinarios gracias a una cooperación cada vez más amplia y sólida entre científicos, países e instituciones, tanto a nivel europeo como global.”

La colaboración LIGO-Virgo-KAGRA

LIGO está financiado por la NSF y está gestionado por Caltech y el MIT, que concibieron y construyeron el proyecto conjuntamente. El apoyo financiero para el proyecto Advanced LIGO estuvo liderado por la NSF, con Alemania (Max Planck Society), el Reino Unido (Science and Technology Facilities Council) y Australia (Australian Research Council) realizando compromisos y contribuciones significativas al proyecto. Más de 1.600 científicos de todo el mundo participan en el esfuerzo a través de la Colaboración Científica LIGO, que incluye la Colaboración GEO. Se pueden consultar socios adicionales en my.ligo.org/census.php.

La Colaboración Virgo está compuesta actualmente por aproximadamente 1.000 miembros de 175 instituciones en 20 países diferentes (principalmente europeos). El Observatorio Gravitacional Europeo (EGO) acoge el detector Virgo cerca de Pisa, Italia, y está financiado por el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en Francia, el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia, el Instituto Nacional de Física Subatómica (Nikhef) en los Países Bajos, The Research Foundation – Flanders (FWO) y el Fondo de Investigación Científica de Bélgica (F.R.S.–FNRS). Se puede encontrar una lista de los grupos de la Colaboración Virgo en: https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/ . Hay más información disponible en el sitio web de Virgo: https://www.virgo-gw.eu

KAGRA es un interferómetro láser con brazos de 3 kilómetros de longitud ubicado en Kamioka, Gifu, Japón. El instituto anfitrión es el Institute for Cosmic Ray Research (ICRR) de la Universidad de Tokio, y el proyecto está coorganizado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) y la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK). La colaboración KAGRA está compuesta por más de 400 miembros de 128 institutos en 17 países/regiones. La información de KAGRA para el público general se encuentra en gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Los recursos para investigadores son accesibles desde gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.