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| Ilustración de dos agujeros negros orbitando entre sí, emitiendo ondas gravitacionales. (Crédito de la imagen: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images) |
En 2015, los astrofísicos detectaron por primera vez ondas gravitacionales,
ondulaciones en el espacio-tiempo que se producen cuando las fusiones de
estrellas de neutrones o 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 cerca de 100
fusiones de agujeros negros mediante la observación de las ondas
gravitacionales que emiten estos fenómenos extraterrestres. Ahora, el
investigador de Caltech Keefe Mitman y sus colegas han modelizado con más
detalle estas colisiones y han revelado los llamados efectos no lineales.
"Los efectos no lineales son lo que ocurre cuando las olas en la playa se
encrespan y chocan", dice Keefe Mitman, un estudiante graduado de Caltech que
trabaja con Saul Teukolsky (PhD '74), el Profesor Robinson de Astrofísica
Teórica en Caltech con un nombramiento conjunto en la Universidad de Cornell.
"Las ondas interactúan y se influyen mutuamente, en lugar de desplazarse
solas. Con algo tan violento como una fusión de agujeros negros, esperábamos
estos efectos pero no los habíamos visto en nuestros modelos hasta ahora. Los
nuevos métodos para extraer las formas de onda de nuestras simulaciones han
permitido ver las no linealidades."
En el futuro, el nuevo modelo se puede utilizar para aprender más sobre las
colisiones reales de agujeros negros que han sido observadas rutinariamente
por LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) desde que hizo
historia en 2015 con la primera detección directa de ondas gravitacionales
desde el espacio. LIGO volverá a encenderse a finales de este año tras recibir
una serie de actualizaciones que harán que los detectores sean aún más
sensibles a las ondas gravitacionales que antes.
Mitman y sus colegas forman parte de un equipo llamado Simulating eXtreme
Spacetimes collaboration, o SXS. Fundado por Teukolsky en colaboración con el
premio Nobel Kip Thorne (BS '62), catedrático emérito Richard P. Feynman de
Física Teórica en Caltech, el proyecto SXS utiliza superordenadores para
simular fusiones de agujeros negros. Los superordenadores modelan cómo
evolucionan los agujeros negros a medida que se unen en espiral y se fusionan
utilizando las ecuaciones de la teoría general de la relatividad de Albert
Einstein. De hecho, Teukolsky fue el primero en comprender cómo utilizar estas
ecuaciones de la relatividad para modelizar la fase de "descenso" de la
colisión de agujeros negros, que se produce justo después de que los dos
cuerpos masivos se hayan fusionado.
"Se necesitan superordenadores para realizar un cálculo preciso de toda la
señal: la inspiración de los dos agujeros negros en órbita, su fusión y la
estabilización en un único agujero negro remanente", explica Teukolsky. "El
tratamiento lineal de la fase de asentamiento fue el tema de mi tesis doctoral
con Kip hace bastante tiempo. El nuevo tratamiento no lineal de esta fase
permitirá un modelado más preciso de las ondas y, eventualmente, nuevas
pruebas de si la relatividad general es, de hecho, la teoría correcta de la
gravedad para los agujeros negros."
Las simulaciones de SXS han resultado decisivas para identificar y
caracterizar los casi 100 choques de agujeros negros detectados por LIGO hasta
la fecha. Este nuevo estudio representa la primera vez que el equipo ha
identificado efectos no lineales en las simulaciones de la fase de choque.
"Imaginemos que hay dos personas en un trampolín", explica Mitman. "Si saltan
suavemente, no deberían influir tanto en la otra persona. Eso es lo que ocurre
cuando decimos que una teoría es lineal. Pero si una persona empieza a rebotar
con más energía, el trampolín se distorsionará y la otra empezará a sentir su
influencia. Esto es lo que entendemos por no lineal: las dos personas en el
trampolín experimentan nuevas oscilaciones debido a la presencia e influencia
de la otra persona".
En términos gravitatorios, esto significa que las simulaciones producen nuevos
tipos de ondas. "Si se profundiza bajo las grandes ondas, se encontrará una
nueva onda adicional con una frecuencia única", afirma Mitman.
A grandes rasgos, estas nuevas simulaciones ayudarán a los investigadores a
caracterizar mejor las futuras colisiones de agujeros negros observadas por
LIGO y a probar mejor la teoría general de la relatividad de Einstein.
La coautora Macarena Lagos, de la Universidad de Columbia, afirma: "Éste es un
gran paso para prepararnos para la siguiente fase de detección de ondas
gravitacionales, que profundizará nuestra comprensión de la gravedad en estos
increíbles fenómenos que tienen lugar en los confines del cosmos."
Fuentes, créditos y referencias: