Los físicos consideran los agujeros negros uno de los objetos más misteriosos que existen. Irónicamente, también se consideran uno de los más simples. Durante años, los físicos como yo hemos buscado demostrar que los agujeros negros son más complejos de lo que parecen. Y una misión espacial europea recientemente aprobada llamada LISA nos ayudará en esta búsqueda.
Las investigaciones de la década de 1970 sugieren que es posible describir exhaustivamente un agujero negro utilizando sólo tres atributos físicos:su masa, carga y giro. Todas las demás propiedades de estas estrellas masivas moribundas, como su composición detallada, perfiles de densidad y temperatura, desaparecen a medida que se transforman en un agujero negro. Así de simples son.
La idea de que los agujeros negros tienen sólo tres atributos se llama teorema "sin pelo", lo que implica que no tienen ningún detalle "peludo" que los haga complicados.
Durante décadas, los investigadores de la comunidad de astrofísica han explotado lagunas o soluciones alternativas dentro de los supuestos del teorema de la ausencia de pelo para generar posibles escenarios de agujeros negros peludos. Un agujero negro peludo tiene una propiedad física que los científicos pueden medir (en principio) que va más allá de su masa, carga o giro. Esta propiedad tiene que ser parte permanente de su estructura.
Hace aproximadamente una década, Stefanos Aretakis, físico actualmente en la Universidad de Toronto, demostró matemáticamente que un agujero negro que contuviera la carga máxima que podría contener (llamado agujero negro con carga extrema) desarrollaría "pelo" en su horizonte. El horizonte de un agujero negro es el límite donde todo lo que lo cruza, incluso la luz, no puede escapar.
El análisis de Aretakis fue más bien un experimento mental que utilizó un escenario físico muy simplificado, por lo que no es algo que los científicos esperen observar astrofísicamente. Pero los agujeros negros sobrealimentados podrían no ser los únicos que podrían tener pelo.
Dado que se sabe que los objetos astrofísicos como las estrellas y los planetas giran, los científicos esperan que los agujeros negros también giren, según cómo se forman. La evidencia astronómica ha demostrado que los agujeros negros tienen espín, aunque los investigadores no saben cuál es el valor típico de espín de un agujero negro astrofísico.
Utilizando simulaciones por computadora, mi equipo descubrió recientemente tipos similares de cabello en agujeros negros que giran a su máxima velocidad. Este cabello tiene que ver con la tasa de cambio, o el gradiente, de la curvatura del espacio-tiempo en el horizonte. También descubrimos que un agujero negro en realidad no tendría que girar al máximo para tener cabello, lo cual es importante porque estos agujeros negros con giro máximo probablemente no se forman en la naturaleza.
Mi equipo quería desarrollar una forma de medir potencialmente este cabello:una nueva propiedad fija que podría caracterizar un agujero negro más allá de su masa, giro y carga. Empezamos a investigar cómo una propiedad tan nueva podría dejar una huella en una onda gravitacional emitida por un agujero negro que gira rápidamente.
Una onda gravitacional es una pequeña perturbación en el espacio-tiempo causada típicamente por eventos astrofísicos violentos en el universo. Las colisiones de objetos astrofísicos compactos, como los agujeros negros y las estrellas de neutrones, emiten fuertes ondas gravitacionales. Una red internacional de observatorios gravitacionales, incluido el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser en los Estados Unidos, detecta estas ondas de forma rutinaria.
Nuestros estudios recientes sugieren que se pueden medir estos atributos peludos a partir de datos de ondas gravitacionales para agujeros negros que giran rápidamente. Observar los datos de ondas gravitacionales ofrece la oportunidad de encontrar una especie de firma que podría indicar si el agujero negro tiene este tipo de cabello.
Nuestros estudios en curso y los avances recientes realizados por Som Bishoyi, un estudiante del equipo, se basan en una combinación de modelos teóricos y computacionales de agujeros negros que giran rápidamente. Nuestros hallazgos aún no han sido probados en el campo ni observados en agujeros negros reales en el espacio. Pero esperamos que eso cambie pronto.
En enero de 2024, la Agencia Espacial Europea adoptó formalmente la misión espacial de Antena Espacial de Interferómetro Láser, o LISA. LISA buscará ondas gravitacionales y los datos de la misión podrían ayudar a mi equipo con nuestras complicadas preguntas sobre agujeros negros.
La adopción formal significa que el proyecto tiene luz verde para pasar a la fase de construcción, con un lanzamiento previsto para 2035. LISA consta de tres naves espaciales configuradas en un triángulo equilátero perfecto que seguirá a la Tierra alrededor del sol. Cada una de las naves espaciales estará separada por 2,5 millones de kilómetros (1,6 millones de millas) e intercambiarán rayos láser para medir la distancia entre sí hasta aproximadamente una milmillonésima de pulgada.
LISA detectará ondas gravitacionales de agujeros negros supermasivos que son millones o incluso miles de millones de veces más masivos que nuestro sol. Construirá un mapa del espacio-tiempo alrededor de los agujeros negros en rotación, lo que ayudará a los físicos a comprender cómo funciona la gravedad en las proximidades de los agujeros negros con un nivel de precisión sin precedentes. Los físicos esperan que LISA también pueda medir cualquier atributo peludo que puedan tener los agujeros negros.
Con LIGO realizando nuevas observaciones cada día y LISA ofreciendo una visión del espacio-tiempo alrededor de los agujeros negros, ahora es uno de los momentos más emocionantes para ser físico de agujeros negros.
Proporcionado por The Conversation
Este artículo se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original. 
