primeras evidencias de una asimetría cósmica basada en ondas gravitacionales, con implicaciones para la gravedad cuántica

La naturaleza del universo siempre ha sido un misterio profundo para la humanidad. Desde la teoría del Big Bang hasta los descubrimientos de las ondas gravitacionales, cada avance nos ha acercado más a comprender las reglas que rigen el cosmos. Pero, ¿y si esas reglas no fueran tan estrictas como creíamos? Un reciente hallazgo sugiere que algunas de esas normas, como la simetría de espejo del universo, podrían romperse en circunstancias extremas.

En un estudio liderado por el Dr. Juan Calderón Bustillo y publicado en Physical Review Letters, los investigadores encontraron las primeras evidencias experimentales de ruptura de simetría de espejo en el universo. Este descubrimiento, basado en el análisis de 47 fusiones de agujeros negros detectadas por LIGO y Virgo, tiene implicaciones profundas para nuestra comprensión del cosmos y sugiere que fenómenos como la polarización circular de las ondas gravitacionales podrían ser mucho más comunes de lo que se pensaba.

Las ondas gravitacionales: mensajeros del cosmos

Desde que fueron detectadas por primera vez en 2015, las ondas gravitacionales han transformado la astrofísica. Estas perturbaciones en el espacio-tiempo, predichas por Albert Einstein, se producen en eventos catastróficos como la fusión de agujeros negros. Son herramientas únicas para explorar el universo, ya que transportan información sobre sus fuentes, incluidas sus masas, velocidades y propiedades dinámicas.

Un aspecto interesante de las ondas gravitacionales es su polarización, que puede ser derecha o izquierda, algo similar a cómo la luz puede polarizarse en direcciones específicas. En sistemas con órbitas precesantes (es decir, con un bamboleo en la trayectoria), esta polarización puede inclinarse hacia un lado, rompiendo lo que se conoce como simetría de espejo. Este fenómeno abre la puerta a explorar configuraciones no convencionales de las fusiones de agujeros negros, especialmente aquellas influenciadas por su formación jerárquica.

Por otra parte, las ondas gravitacionales no solo revelan la dinámica de los objetos que las producen, sino que también pueden actuar como una ventana hacia las propiedades fundamentales del universo. Es esta capacidad la que las convierte en un elemento clave para descubrir fenómenos como el recientemente observado exceso de polarización circular.

El hallazgo: una asimetría predicha, pero nunca antes observada

El equipo de Calderón Bustillo analizó las ondas gravitacionales emitidas por 47 eventos de fusión de agujeros negros y encontró que uno de ellos, GW200129, presentaba una ruptura clara de la simetría de espejo. Este evento mostró un exceso de polarización circular en una dirección específica, algo que nunca se había observado directamente.

Lo más sorprendente es que, según el estudio, al menos el 82% de los eventos analizados deben romper también esta simetría, aunque la evidencia individual de cada uno sea menos concluyente. Este resultado plantea preguntas fascinantes sobre la formación de los agujeros negros y su dinámica. Según los autores, estos hallazgos sugieren que muchas fusiones tienen órbitas precesantes, lo que está relacionado con la formación jerárquica de agujeros negros: sistemas formados por múltiples generaciones de fusiones previas.

GW200129 destaca por algo más que su asimetría: es uno de los pocos eventos donde se han observado señales claras de precesión orbital. Este detalle refuerza la idea de que las fusiones más complejas son también las que contienen información clave sobre los procesos extremos en el universo.

Metodología: cómo se mide la asimetría

Para detectar esta ruptura de simetría, los investigadores utilizaron un parámetro llamado VGW, que mide la cantidad neta de polarización circular en las ondas gravitacionales. Este se deriva del llamado escalar Chern-Pontryagin, una herramienta matemática que cuantifica la asimetría en el espacio-tiempo.

El análisis incluyó datos de los observatorios LIGO y Virgo, con modelos avanzados de simulación que recrean la evolución de sistemas de agujeros negros en condiciones precesantes. Estos modelos permitieron correlacionar la polarización con propiedades intrínsecas de las fusiones, como las masas y los giros de los agujeros negros involucrados.

El uso de técnicas de inferencia bayesiana permitió establecer un factor de Bayes significativo para GW200129, indicando una probabilidad del 93.1% de que su emisión rompiera la simetría de espejo. Este enfoque es pionero en el estudio de la polarización circular y representa un avance en cómo interpretamos las señales gravitacionales a nivel cosmológico.

Implicaciones cosmológicas y más allá

Este descubrimiento podría revolucionar la forma en que entendemos el universo. En primer lugar, desafía el principio cosmológico, que sostiene que el universo debe ser homogéneo e isotrópico en grandes escalas. Si las fusiones de agujeros negros muestran una preferencia por una polarización específica, esto podría indicar que el universo tiene propiedades no simétricas en su estructura fundamental.

Por otra parte, los autores sugieren que estas asimetrías podrían estar relacionadas con fenómenos cuánticos, como la emisión de partículas polarizadas desde el vacío cuántico, algo similar a la radiación de Hawking. Según el coautor Dr. Adrián del Río, “en un estudio previo, demostramos que las fusiones con asimetría de espejo podrían generar una emisión neta de fotones polarizados desde el vacío cuántico, a través de un proceso similar a la radiación de Hawking. Nuestro estudio ha identificado la primera fuente viable—GW200129—que puede producir este efecto«​.

Las posibles conexiones con la gravedad cuántica y la estructura del universo sugieren que estamos apenas comenzando a descubrir los secretos que las ondas gravitacionales pueden revelar. Este hallazgo abre una ventana hacia una física completamente nueva.