Un equip d’investigadors de la Universitat de les Illes Balears (UIB), membres actius de la col·laboració internacional LIGO-Virgo-KAGRA, han participat en l’anàlisi que ha permès verificar el teorema de l’àrea dels forats negres formulat per Stephen Hawking.

El grup GRAVITY de la UIB, que ha participat en totes les més de 300 deteccions d’ones gravitacionals, ha contribuït al desenvolupament de models teòrics i eines d’anàlisi que han estat essencials per interpretar amb precisió les dades de la fusió de forats negres GW250114, publicat el 10 de setembre a Physical Review Letters.

Aquesta aportació situa la Universitat de les Illes Balears en primera línia d’un descobriment que confirma, amb un nivell de confiança sense precedents, una de les prediccions més influents de la física moderna.

Deu anys de la primera detecció

Aquesta fita s’ha fet pública coincidint amb el desè aniversari de la primera detecció d’ones gravitacionals. El 14 de setembre del 2015, un senyal va arribar a la Terra portant informació sobre dos forats negres remots que havien espiralitzat junts i s’havien fusionat. El senyal havia viatjat aproximadament 1.300 milions d’anys fins a arribar-nos a la velocitat de la llum —però no era llum. Era un tipus diferent de senyal: una vibració de l’espai-temps anomenada ones gravitacionals, predites per Albert Einstein feia 100 anys. Aquell dia, fa 10 anys, els detectors bessons de l’Observatori d’Ones Gravitacionals per Interferometria Làser (LIGO) van fer la primera detecció directa d’ones gravitacionals, xiuxiueigs del cosmos que havien restat inaudibles fins aquell moment.

El descobriment va significar que els investigadors podien sentir l’univers de tres formes diferents. Ja s’havien capturat abans ones de llum, com els raigs X, la llum visible, la ràdio i altres longituds d’ona, així com partícules d’alta energia anomenades raigs còsmics i neutrins. Però era la primera vegada que els investigadors presenciaven un esdeveniment còsmic a través de la seva deformació gravitacional de l’espai-temps.

Premi Nobel

Per aquesta fita científica, concebuda més de 40 anys abans, tres dels fundadors de l’equip van guanyar el Premi Nobel de Física del 2017: Rainer Weiss, professor emèrit de física del MIT (que va morir recentment als 92 anys); Barry Barish, professor emèrit Ronald i Maxine Linde de Física del Caltech; i Kip Thorne, professor emèrit Richard P. Feynman de Física Teòrica també del Caltech. Entre els molts altres guardons atorgats als membres de la col·laboració per aquest descobriment històric hi ha el 2017 Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics —on figuraven com a autors citats Alicia Sintes, Sascha Husa, David Keitel, Xisco Jiménez-Forteza i Miquel Oliver, tots ells de la UIB— i el Premi Princesa d’Astúries de Recerca Científica i Tècnica 2017.

A escala local i nacional, el grup GRAVITY també ha estat distingit amb nombrosos reconeixements, entre els quals: Premi Jaume II (2016), Premi Ramon Llull (2017), Medalla d’Or de Palma (2017), Premi Onda Cero Mallorca de Ciència i Investigació (2016), Premi Diario de Mallorca (2017), Premi Sincronizados (2018), Selección Española de Ciencia (2018), Premi Bartomeu Oliver (2018), Premi Siurell de Plata en Iniciativa Científica (2022).

Avui, LIGO, finançat per la National Science Foundation (NSF) dels EUA i que compta amb detectors a Hanford (Washington) i Livingston (Louisiana), observa rutinàriament una fusió de forats negres cada tres dies aproximadament. LIGO funciona en coordinació amb dos socis internacionals: el detector d’ones gravitacionals Virgo a Itàlia i KAGRA al Japó. Junts, formen la xarxa internacional de detectors coneguda com a LVK (LIGO, Virgo, KAGRA), que fins ara ha registrat prop de 300 esdeveniments de fusió de forats negres —alguns confirmats amb l’última actualització del catàleg complet de transitoris d’ones gravitacionals, GWTC-4.0, publicada el 26 d’agost (arXiv https://arxiv.org/abs/2508.18082 i https://gwosc.org)— i d’altres encara pendents d’anàlisi. Durant l’actual període d’observació, el quart des de l’inici de les operacions el 2015, el LVK ha identificat prop de 220 candidats a fusions, més del doble del nombre detectat en els tres primers períodes combinats.

L’increment espectacular en els descobriments del LVK durant la darrera dècada s’explica per diverses millores als detectors —algunes basades en enginyeria quàntica d’alta precisió. LIGO continua sent, de llarg, el regle més precís construït per la humanitat. Les distorsions de l’espai-temps induïdes per les ones gravitacionals són extremadament minúscules: LIGO ha de captar canvis més petits que 1/10.000 de l’amplada d’un protó. Això és 700 mil milions de vegades més petits que un cabell humà.

Cada detecció ens ha acostat una mica més a preguntes fonamentals. Hem posat a prova la relativitat general en els límits més extrems, hem explorat com neixen i evolucionen els forats negres i fins i tot ens hem trobat amb sorpreses, com els forats negres de masses intermèdies, que van desafiar allò que crèiem saber sobre l’evolució estel·lar.

Al mateix temps, el camp ha crescut de manera extraordinària: avui dia, milers d’investigadors i estudiants d’arreu del món treballen en aquest àmbit, atrets per l’emoció de participar en una ciència jove que està redefinint la nostra manera d’explorar l’univers.

Aquest creixement ha vingut acompanyat d’un autèntic floriment d’idees noves. S’han desenvolupat tècniques d’anàlisi cada vegada més sofisticades —moltes d’elles basades en la intel·ligència artificial—, i la col·laboració internacional s’ha convertit en un exemple del poder de la ciència global. No només hem obert una finestra nova al cosmos: també hem impulsat innovacions tecnològiques i mètodes de treball que transcendeixen la recerca fonamental, amb beneficis inesperats per a la societat.

El senyal més clar fins ara

La sensibilitat millorada del LIGO s’exemplifica en el descobriment recent d’una fusió de forats negres anomenada GW250114. L’esdeveniment, captat el 14 de gener de 2025, no era gaire diferent de la primera detecció del LIGO, GW150914: totes dues implicaven forats negres d’uns 30 a 40 cops la massa del Sol i a uns 1.300 milions d’anys llum de distància. Però gràcies als 10 anys d’avenços tecnològics i reducció del soroll instrumental, el senyal del GW250114 és espectacularment més clar.

Els resultats de la detecció s’han recollit en un estudi publicat a la revista científica Physical Review Letters. A través de l’anàlisi de les freqüències de les ones gravitacionals emeses durant la fusió, l’equip LVK va poder obtenir la millor evidència observacional fins ara del conegut com a teorema de l’àrea dels forats negres, proposat el 1971 per Stephen Hawking. Aquest teorema afirma que la superfície total dels forats negres no pot disminuir. Quan dos forats negres es fusionen, combinen les seves masses i augmenten la superfície, però també perden energia en forma d’ones gravitacionals i poden incrementar el seu gir, cosa que reduiria l’àrea. Malgrat aquests factors oposats, el teorema diu que la superfície total sempre ha de créixer.

Anys més tard, Hawking i el físic Jacob Bekenstein van concloure que l’àrea d’un forat negre és proporcional a la seva entropia (grau de desordre). Aquestes conclusions van obrir el camí a treballs fonamentals posteriors sobre la gravetat quàntica, que busca unir la relativitat general i la física quàntica.

En essència, la detecció del LIGO va permetre «sentir» dos forats negres creixent mentre es fusionaven en un de sol, cosa que va verificar el teorema de Hawking. (Virgo i KAGRA no estaven operatius durant aquesta observació concreta.) Els forats negres inicials tenien una superfície total de 240.000 km² (aproximadament la mida d’Oregon, EUA), mentre que la final va ser d’uns 400.000 km² (com Califòrnia, EUA): un augment clar. Aquest era el segon test del teorema; el primer intent va ser el 2021, però amb dades menys netes i un nivell de confiança del 95%. Ara, en canvi, la confiança arriba al 99,999%.

La part més complexa d’aquesta anàlisi resideix a determinar l’àrea final del forat negre fusionat. Les àrees dels forats negres abans de la fusió poden calcular-se més fàcilment a mesura que orbiten l’un entorn de l’altre, distorsionant l’espai-temps i produint ones gravitacionals. Però després de la fusió, el senyal és menys clar. En aquesta fase de ringdown, el forat negre final vibra com una campana colpejada.

En el nou estudi, els investigadors van poder mesurar amb gran precisió aquesta fase de ringdown, calcular la massa i l’espín del forat negre, i després determinar la seva superfície. Per primera vegada, es van poder identificar amb confiança dos modes d’ona gravitacional diferents en aquesta fase, tal com preveien models matemàtics desenvolupats als anys 1970 per Saul Teukolsky (actual professor al Caltech i Cornell) i d’altres.