Físicos logran simular una fusión de agujeros negros

Investigadores han desarrollado un nuevo método para analizar las ondas que emiten los agujeros negros cuando chocan, según publican en la revista ‘Physical Review Letters’.

En 2015, los científicos detectaron por primera vez ondas gravitacionales, ondulaciones en el espacio-tiempo que se producen cuando grandes eventos cósmicos –como la colisión y fusión de dos agujeros negros– perturban el cosmos. La observación de estas ondas confirmó la teoría de la relatividad general de Einstein, que predecía que se producirían si el espacio-tiempo funcionaba como él creía.

En los siete años transcurridos desde entonces, se han detectado casi 100 agujeros negros en fusión mediante la observación de las ondas gravitacionales que emiten estos fenómenos extraterrestres.

Ahora, gracias a la nueva investigación de un equipo de 14 personas dirigido por el estudiante de doctorado de Caltech y antiguo alumno del Columbia College Keefe Mitman; la postdoctoranda de la Universidad de Columbia (Estados Unidos) Macarena Lagos; el profesor de Columbia Lam Hui, y el profesor de la Universidad de Mississippi Leo Stein, la capacidad de modelar estos eventos cósmicos se ha vuelto más sofisticada. El modelo mejorado que han desarrollado allana el camino para una comprensión más profunda de la estructura de los agujeros negros en fusión.

El equipo ha desarrollado una forma más compleja de modelar la señal que emiten las ondas gravitacionales incluyendo interacciones no lineales en los modelos. Este método de modelización permitirá a los científicos comprender mejor la estructura de lo que ocurre en el interior de los agujeros negros, y también ayudará a comprobar si la teoría de la relatividad general de Einstein describe correctamente el comportamiento de la gravedad en entornos astrofísicos extremos.

“Este es un gran paso para prepararnos para la siguiente fase de detección de ondas gravitacionales, que profundizará nuestra comprensión de la gravedad y de estos increíbles fenómenos que tienen lugar en los confines del cosmos“, afirma Lagos, coautor del estudio.

La investigación llega justo cuando el próximo mes de marzo, LIGO, el observatorio que detectó por primera vez las ondas gravitacionales, se encenderá para recoger nuevas observaciones de los fenómenos que tienen lugar en los confines del espacio.

El observatorio no funciona desde 2020, cuando se cerró a causa de la pandemia. Se espera que otros detectores importantes empiecen a recoger datos en los próximos años, por lo que es aún más importante que dispongan de modelos sofisticados para interpretar la información entrante.

Lam Hui, coautor del estudio, utiliza una analogía para describir la información que pueden proporcionar las ondas gravitacionales: “Si te doy una caja y te pregunto qué hay dentro, lo natural es que la agites. Eso te diría si dentro de la caja hay caramelos o monedas. Eso es lo que intentamos hacer con estos modelos, es hacernos una idea del contenido interno de un agujero negro escuchando el sonido que se emite al agitarlo“, explica.

“La ‘sacudida’ en el caso de los agujeros negros es la perturbación que se produce cuando dos colisionan y se fusionan. Escuchando los armónicos que emite, podemos evaluar la estructura espacio-temporal del agujero negro”, añade.

Hasta ahora, los modelos de ondas gravitacionales emitidas tras la fusión de dos agujeros negros sólo incluían interacciones lineales, que funcionan bien y proporcionan información valiosa sobre la estructura y el contenido de los agujeros negros. Este nuevo modelo, sin embargo, podría mejorar hasta en un 10% la precisión general de los modelos de agujeros negros, según los autores del artículo.

Para comprender la importancia de utilizar la no linealidad para describir las ondas gravitacionales, los autores describieron las ondas en un océano: Una ola que sube y baja sin arrojar agua al aire podría describirse con una ecuación lineal, pero una ola que crece y decrece presenta interacciones no lineales.

“Nos estamos preparando para cuando seamos detectives de ondas gravitacionales, cuando profundicemos para comprender todo lo que podamos sobre su naturaleza”, anuncia Stein.

Así, mientras una parte del agua se hincha en el fondo de la ola, otra se precipita simultáneamente a izquierda, derecha, arriba y abajo en zarcillos y gotas de agua por encima de ella. Un modelo no lineal de la ola permitiría comprender cómo y cuándo se mueve toda el agua de la ola, incluidas esas gotitas suspendidas en el aire. Las ondas gravitatorias son similares a las ondas de agua, y el nuevo modelo es capaz de dar cuenta del equivalente extraterrestre de gotas de agua adicionales.