Nuestra comprensión actual del universo se basa en la hipótesis de que, a escalas suficientemente grandes, la materia que lo compone se distribuye de manera homogénea en el espacio, en cualquier lugar y visto desde cualquier dirección de observación. En otras palabras, si pudiéramos proyectar todas las galaxias de nuestro universo en una pantalla, y redujéramos el “zoom” para poder observar todo el contenido del Universo, nos daríamos cuenta de que todas las regiones del espacio son extremadamente similares entre sí, con el mismo número de galaxias promedio, misma densidad de materia, mismas propiedades físicas, etc. En particular, ningún lugar o dirección sería singular o destacable. Esta hipótesis, conocida como Principio Cosmológico, ha sido validada en las últimas décadas en observaciones de cúmulos de galaxias y del Fondo Cósmico de radiación de microondas con una precisión cada vez mayor.
Una consecuencia directa de dicho principio es que el universo debe tener simetría "especular" (¡especular, no espectacular!). Esto significa que, si colocamos un gigantesco espejo cósmico, el reflejo del universo debe ser idéntico. ¿Qué consecuencia tiene esto para los cuerpos celestes como las galaxias y las estrellas y (también) los agujeros negros? Pues resulta que para aquellos cuerpos que tengan rotación (como una peonza), tendremos el mismo número de objetos cósmicos que rotan "a izquierda como a derecha" (piensa que si te miras en un espejo tu mano derecha se convierte en la izquierda y viceversa, pero el número de manos izquierdas y derechas sigue siendo el mismo).
De igual manera, el Universo debe permanecer invariante si intercambiamos el sentido de giro de cada uno de estos cuerpos. Es decir, por cada cuerpo celeste que rote a “izquierdas”, debe existir un cuerpo semejante que rote a “derechas”, de modo que, globalmente, el efecto de intercambiar el sentido de giro no pueda apreciarse. El Universo sería, en este sentido, estadísticamente neutro. Pero, ¿es esto realmente así?
Aunque el Principio Cosmológico se ha ido corroborando experimentalmente en las últimas décadas, algunos hallazgos recientes han llevado a cierto sector de la comunidad científica a cuestionarlo, planteando la posibilidad de que este no se verifique. Ello nos obliga a desarrollar nuevas estrategias que nos permitan poner a prueba, mediante observaciones, todas las hipótesis planteadas en un modelo teórico. Recientemente, investigadores españoles han ideado y aplicado un nuevo método para examinar la simetría especular del universo basado en el análisis de señales de ondas gravitacionales emitidas por fusiones de agujeros negros.
Binarias de agujeros negros
Cuando hablamos de binarias de agujeros negros, nos referimos a pares de agujeros negros que orbitan entre sí (como la Tierra y el Sol) durante millones de años, emitiendo las llamadas ondas gravitacionales – predichas por Albert Einstein en 1916– durante toda su la evolución. Esto último hace que el sistema pierda energía y ambos agujeros se acerquen progresivamente hasta que, finalmente, se fusionan de manera violenta y forman un tercer agujero negro más masivo. Dicho cuerpo resultante adquiere una rotación sobre sí mismo Omega (o espín) y sale despedido con una cierta velocidad de retroceso, v (“kick”, patada en inglés).
El producto de ambos parámetros, h = v * Omega, conocido como helicidad, indica si el cuerpo rota “a derechas” (si h>0) o “a izquierdas” (si h<0) a lo largo de su trayectoria. Como puede imaginarse intuitivamente, la helicidad cambia de signo al cambiar el sentido de rotación del agujero. Por ello, si el Principio Cosmológico se cumple y el universo goza verdaderamente de simetría especular, debe contener, en promedio, la misma proporción de binarias “a derechas” que “a izquierdas”, haciendo que la helicidad promedio (sumando todas las helicidades) de todo el universo sea igual a cero. Si no lo fuese, el universo y su reflejo serían distintos con consecuencias sutiles pero importantes para su evolución.
Ruido gravitatorio
Ahora bien, ¿cómo podemos determinar si la helicidad promedio de los agujeros negros en nuestro universo es igual a cero? Para ello es necesario estar atento y analizar en detalle el tremendo “ruido gravitatorio” que estas binarias de agujeros negros generan cuando colisionan. Desde 2015, los interferómetros LIGO (USA) y Virgo (Europa) son capaces de detectar las ondas gravitacionales emitidas por estas fusiones, habiendo registrado a día de hoy alrededor de 100 eventos.
Estas ondas gravitatorias también “rotan” conforme se propagan en el espacio, lo cual les otorga también una noción de helicidad (llamada polarización circular). Lo interesante es que, precisamente, la teoría de la relatividad general de Einstein predice que aquellas binarias “a derechas” deben emitir ondas con helicidad positiva, mientras que aquellas “a izquierdas” deben hacerlo con helicidad negativa. Esta propiedad nos brinda una oportunidad fantástica para obtener información sobre la binaria origen.
Con los datos de los 100 eventos astrofísicos registrados, es posible analizar y estudiar la helicidad individual de cada binaria detectada, así como su promedio. Los resultados obtenidos apuntan a un universo que respeta la simetría especular, en concordancia con el Principio Cosmológico. Sin embargo, es pronto para concluir nada de manera definitiva, pues la estadística disponible es demasiado baja al disponer solo de 100 eventos.
Afortunadamente, se espera que el número de eventos de ondas gravitatorias registrados aumente considerablemente en las próximas décadas, llegando a varias decenas de miles de detecciones. Con este número tan grande de observaciones seremos capaces de hacer un estudio mucho más meticuloso de la hipótesis especular, lo que nos permitirá afirmar (o desmentir) la validez del (espectacular) Principio Cosmológico.
