El desé aniversari del descobriment de les ones gravitacionals verifica el teorema de l’àrea dels forats negres de Stephen Hawking

Aquesta última dècada ha assistit a un espectacular augment de descobriments d’ones gravitacionals per la xarxa LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), de manera que s’ha arribat a un total de més de 300 fusions de forats negres, la majoria ja confirmades. Si bé els senyals observats provenen principalment de col·lisions de forats negres d’origen estel·lar, també s’han aconseguit les primeres observacions de col·lisions d’estreles de neutrons, fusions entre una estrela de neutrons i un forat negre, o fusions asimètriques, en les quals un forat negre és significativament més massiu que l’objecte compacte secundari, entre altres.

“Les múltiples deteccions d’ones gravitatòries realitzades en l’última dècada han revelat l’existència de noves poblacions de sistemes binaris d’objectes compactes. Les nostres anàlisis de fusions de forats negres estan permetent explorar el règim de camp gravitatori fort i dinàmic i posar a prova els límits de la teoria de la relativitat general d’Einstein i les seues prediccions paradigmàtiques”, explica José Antonio Font, catedràtic del Departament d’Astronomia i Astrofísica (UV) i coordinador del grup Virgo a València.

“És fascinant que aquests senyals d’ones gravitacionals ens permeten posar a prova la nostra comprensió de la gravetat. Han sigut 10 anys meravellosos des de la primera detecció directa i el futur és simplement brillant. La setmana que ve tindrà lloc un esdeveniment per a celebrar aquest aniversari a Mallorca amb participació del grup Virgo a València”, destaca Isabel Cordero, investigadora del Departament de Matemàtiques de la UV i responsable de divulgació de Virgo-València.

El 14 de setembre de 2015, un senyal va arribar a la Terra portant informació sobre un parell de forats negres llunyans que s’havien acostat en espiral fins a fusionar. El senyal havia viatjat uns 1.300 milions d’anys fins aconseguir la velocitat de la llum, però no estava feta de llum. Era un senyal d’un altre tipus: un tremolor de l’espaitemps conegut com a ones gravitacionals, predit per primera vegada per Albert Einstein cent anys abans. Aquell dia, fa deu anys, els dos detectors bessons de l’Observatori d'Interferometria Làser d’Ones Gravitacionals (LIGO) van realitzar la primera detecció directa d’ones gravitacionals. Les col·laboracions LIGO i Virgo ho van anunciar al món al febrer de 2016, després de sis mesos d’anàlisis i verificació.

La històrica troballa volia dir que els investigadors i investigadores ara podien començar a percebre l’univers a través de tres canals diferents. Ja s’havien captat abans ones de llum —raigs X, llum visible, ones de ràdio i altres longituds d’ona—, així com partícules d’alta energia anomenades raigs còsmics i neutrins. Era la primera vegada que la comunitat científica era testimoni d’un esdeveniment còsmic a través de la deformació gravitatòria de l’espaitemps. Per aquest assoliment, somiat més de quaranta anys abans, tres dels fundadors de LIGO van rebre el Premi Nobel de Física en 2017: Rainer Weiss, Barry Barish i Kip Thorne.

La millora en la sensibilitat dels instruments ha sigut demostrada en un descobriment recent: la fusió de forats negres denominada GW250114 (14 gener 2025). En analitzar les freqüències de les ones gravitacionals emeses durant la fusió, la col·laboració LVK va ser capaç d’obtenir la millor evidència observacional registrada fins a la data de l’anomenat teorema de l’àrea dels forats negres, proposat per Stephen Hawking en 1971. El teorema diu que la superfície total dels forats negres no pot disminuir. Quan els forats negres es fusionen, les seues masses es combinen i, per tant, la superfície creix. No obstant això, el procés de fusió també irradia energia en forma d’ones gravitacionals i, a més, pot incrementar la velocitat de rotació del forat negre resultant, fet que conduiria a reduir-ne l'àrea. El teorema de Hawking afirma que, malgrat que aquests efectes competeixen, l’àrea total ha d’augmentar en grandària.

La part més complicada d’aquesta anàlisi tenia a veure amb el fet de determinar la superfície final del forat negre fusionat. En el nou estudi, els investigadors i investigadores van poder mesurar amb precisió els detalls de la fase de relaxació, la qual cosa els va permetre calcular la massa i la velocitat de rotació del forat negre i, posteriorment, determinar-ne la superfície. Més concretament, van poder, per primera vegada, identificar amb seguretat dues maneres diferents d’ones gravitacionals en la fase de relaxació. La millora de les dades de GW250114 va permetre a l’equip extraure el procés, la qual cosa va demostrar que la relaxació del forat negre es va produir exactament com van predir els models matemàtics.

Un altre estudi del LVK, enviat avui a la revista Physical Review Letters, estableix límits a un tercer to més agut previst en el senyal GW250114 i du a terme algunes de les proves més rigoroses fins avui sobre la precisió de la relativitat general a l’hora de descriure la fusió de forats negres.

La col·laboració LIGO-Virgo-KAGRA

LIGO, Virgo i KAGRA operen de manera coordinada i actualment observen de forma rutinària aproximadament una fusió de forats negres cada tres dies. En conjunt, la xarxa de cerca d’ones gravitacionals LVK ha registrat un total de més de 300 fusions de forats negres, la majoria ja confirmades, mentre que unes altres esperen una anàlisi més detallada. Durant l’actual campanya d’observació científica de la xarxa, la quarta des de la primera que va tenir lloc en 2015, LVK ha descobert unes 230 fusions de forats negres candidates, més del doble de les registrades en les tres primeres campanyes.

LIGO és finançat per la NSF (Fundació Nacional de la Ciència, els EUA) i gestionat per Caltech i el MIT, que conjuntament van concebre i van construir el projecte. La col·laboració Virgo està composta actualment per aproximadament 1.000 membres de 175 institucions de 20 països diferents (principalment europeus). KAGRA és un interferòmetre làser amb braços de 3 quilòmetres de longitud situat en Kamioka, Gifu (el Japó). La institució amfitriona és l’Institut d’Investigació de Raigs Còsmics (ICRR) de la Universitat de Tòquio.