Si los objetos aparentemente se detienen antes de ingresar al horizonte de eventos de un agujero negro, ¿cómo observó LIGO la fusión de 2 agujeros negros?

Si bien es cierto que el horizonte de eventos de un agujero negro permanece para siempre en el futuro de un observador distante, no significa que no podamos ver los eventos que suceden cerca del horizonte de eventos. Muy cerca del horizonte de eventos.

Tome la fusión de dos agujeros negros de 30 masas solares. Sus radios Schwarzschild correspondientes son poco menos de 90 km; 88619.81 metros para ser precisos.

¿Por qué uso una precisión tan extrema? Porque si bien la dilatación del tiempo se vuelve extrema cerca del horizonte, debes acercarte mucho.

Por ejemplo, cuando está a solo 10 metros (!) Del horizonte de eventos de un agujero negro de 30 masas solares, la dilatación del tiempo es de aproximadamente un factor de 100. Entonces, por cada 100 segundos en su reloj, ubicado a una distancia segura desde el agujero negro, solo 1 segundo pasará un reloj tan cerca del horizonte de eventos. ¡Pero todavía lo ves haciendo tictac! Y si el “reloj” en cuestión es un objeto infalible, todavía puedes verlo, bueno, ¡caer! O tal vez orbitar el agujero negro en una espiral apretada.

Las ondas gravitacionales que LIGO detectó se produjeron a medida que los dos agujeros negros orbitaban entre sí en espirales tan descendentes. Durante la mayor parte del evento, los dos agujeros negros todavía estaban a docenas de kilómetros el uno del otro, por lo que la dilatación del tiempo no fue extrema. Durante la etapa final del evento, comenzaron a perder energía cinética muy rápidamente a medida que se irradiaban cantidades extremas de ondas gravitacionales. Finalmente, a medida que se acercaban, el proceso nos parecería más lento debido a la dilatación del tiempo extremo. Este es uno de los factores que caracterizan la segunda etapa del evento: la parte de “señalización” de la señal LIGO.

Por lo que a nosotros respecta, la fusión nunca se completa; los horizontes del evento nunca se forman. En realidad, necesitaría ir allí y cruzar el horizonte de eventos usted mismo para ver que eso suceda. Pero la mayor parte de la parte “interesante” del evento ocurre antes y produce radiación gravitacional que podemos detectar. Para cuando la fusión llega a su etapa final, el espectáculo está casi terminado, por así decirlo.

Para el caso, ¿cómo irradia algo un agujero negro? Si la luz no puede “escapar” porque no es lo suficientemente rápida, seguramente las ondas de gravedad tampoco pueden escapar, no son más rápidas.

Eso quizás tenga algún sentido cuando se trabaja con agujeros negros idealizados, con masas de puntos en el centro. Un verdadero agujero negro, bueno, no sabemos cuál es el “centro”, es realmente una masa repartida entre todo el agujero. Lo suficientemente lejos se comporta como una masa puntual. Un agujero negro real puede deformarse. La inspiración es cuando los agujeros no se tocan, se comportan como su intuición espera. El anillo hacia abajo es donde los horizontes de eventos se unen por primera vez y los agujeros se unen. No hay ningún “objeto” que pase los horizontes, solo estamos detectando esta fusión de horizontes. Es la deformación del espacio-tiempo en los límites, o justo fuera de los límites, o a unos pocos metros, como sugiere el Sr. Toth. Esta deformación está girando, y esto es lo que estamos detectando como el ringdown. No hay objeción al retraso de tiempo.

Dejando a un lado la pregunta de qué LIGO “observó”, el problema es en realidad más general; ¿Cómo puede un agujero negro tragarse algo , ya que la dilatación del tiempo en su superficie (= horizonte de eventos) es infinita? Esto tiene una resolución muy interesante y pintoresca.

A medida que una masa se acerca al horizonte de eventos del agujero negro, el agujero negro se “extenderá” como una ameba y se tragará el objeto en un tiempo finito. ¿Por qué? Porque a medida que la masa se acerca al horizonte de eventos, el radio de Schwarzchild del agujero negro aumenta (debido a la presencia de la masa adicional). Primero, la superficie del agujero negro debajo de la masa que cae se abulta hacia arriba para recibir su almuerzo, luego la protuberancia se extiende por todo el agujero. Finalmente tienes un agujero negro agrandado.

Mediante la medición de ondas gravitacionales. Estas ondas no son muy diferentes que si dos estrellas de neutrones estuvieran orbitando entre sí. La huella digital es un poco más extrema para los agujeros negros, porque en última instancia los detectamos por lo que sucede justo fuera de su horizonte de eventos.

Cuando dos cuerpos gravitacionales extremos (como las estrellas de neutrones y / o los agujeros negros) orbitan, la perturbación en la gravitación que causan consume una gran cantidad de energía. Esta energía se propaga a través del universo en forma de ondas gravitacionales. Esto es lo que LIGO puede detectar.

Los científicos de LIGO “solo” miden d la distorsión causada por las ondas gravitacionales. Como predijo la Relatividad General de Einstein, las ondas gravitacionales se generan por la fusión de los agujeros negros. Es como deducir que una roca ha sido arrojada a un estanque solo observando las olas del agua.

Obviamente, la medición ocurrió simultáneamente en diferentes lugares para confirmar que el evento realmente sucedió y que la medida no fue causada por interferencia ambiental.

Para medir las distorsiones espacio-temporales, los científicos de LIGO midieron la distancia entre dos espejos suspendidos en una cámara de vacío cercana. La distancia se midió con un láser (espacio = C * tiempo, donde C es la velocidad de la luz en el vacío). La distorsión del espacio-tiempo causó una variación en la distancia entre los dos espejos. Pero, ¿cómo se mide una variación de longitud si su unidad de medida también se distorsiona?

Para calcular la variación, en realidad observaron el aumento / disminución de la frecuencia de la luz. La luz, al ser una onda electromagnética, tiene una longitud de onda caratterística que es proporcional a la inversa de la frecuencia. Así, midiendo la variación de la frecuencia, midieron la variación de la longitud de onda causada por la distorsión del espacio-tiempo.

De hecho, utilizaron el efecto Doppler.

Efecto Doppler – Wikipedia

Ahí tienes. Así es como “presenciaron” la fusión de los dos agujeros negros