MADRID, 26 May. (EUROPA PRESS) -
Dos nuevos estudios dirigidos por Caltech, publicados en Physical Review X y Physical Review Letters, describen nuevos métodos para someter a la relatividad general a pruebas aún más estrictas.
Al observar más de cerca las estructuras de los agujeros negros y las ondas en el espacio-tiempo que producen, estas investigaciones buscan signos de pequeñas desviaciones de la relatividad general que insinúen la presencia de la gravedad cuántica.
La teoría general de la relatividad de Albert Einstein describe cómo la estructura del espacio y el tiempo, o espacio-tiempo, se curva en respuesta a la masa. A pesar de lo fundamental que es esta teoría para la naturaleza misma del espacio que nos rodea, los físicos dicen que podría no ser el final de la historia. En cambio, argumentan que las teorías de la gravedad cuántica, que intentan unificar la relatividad general con la física cuántica, guardan secretos sobre cómo funciona nuestro universo en los niveles más profundos.
Un lugar para buscar firmas de gravedad cuántica es en las poderosas colisiones entre agujeros negros, donde la gravedad es más extrema. Los agujeros negros son los objetos más densos del universo: su gravedad es tan fuerte que aprietan los objetos que caen en ellos hasta convertirlos en fideos con forma de espagueti. Cuando dos agujeros negros chocan y se fusionan en un cuerpo más grande, agitan el espacio-tiempo a su alrededor, enviando ondas gravitacionales en todas las direcciones.
El experimento LIGO, administrado por Caltech y MIT, ha estado detectando de forma rutinaria ondas gravitacionales generadas por fusiones de agujeros negros desde 2015 (sus observatorios asociados, Virgo y KAGRA, se unieron a la búsqueda en 2017 y 2020, respectivamente). Sin embargo, hasta ahora, la teoría general de la relatividad ha pasado prueba tras prueba sin signos de fallo.
"Cuando dos agujeros negros se fusionan para producir un agujero negro más grande, el agujero negro final suena como una campana", explica en un comunicado Yanbei Chen, profesor de física en Caltech y coautor de ambos estudios. "La calidad del timbre, o su timbre, puede ser diferente de las predicciones de la relatividad general si ciertas teorías de la gravedad cuántica son correctas. Nuestros métodos están diseñados para buscar diferencias en la calidad de esta fase de timbre, como los armónicos y matices, por ejemplo".
El primer artículo, dirigido por el estudiante graduado de Caltech Dongjun Li, informa una nueva ecuación única para describir cómo sonarían los agujeros negros en el marco de ciertas teorías de la gravedad cuántica, o en lo que los científicos llaman el régimen más allá de la relatividad general.
El trabajo se basa en una ecuación innovadora desarrollada hace 50 años por Saul Teukolsky, profesor de astrofísica teórica en Caltech. Teukolsky había desarrollado una ecuación compleja para comprender mejor cómo se propagan las ondas de la geometría del espacio-tiempo alrededor de los agujeros negros. En contraste con los métodos de la relatividad numérica, en los que se requieren supercomputadoras para resolver simultáneamente muchas ecuaciones diferenciales pertenecientes a la relatividad general, la ecuación de Teukolsky es mucho más simple de usar y, como explica Li, proporciona una visión física directa del problema.
"Si uno quiere resolver todas las ecuaciones de Einstein de una fusión de agujeros negros para simularla con precisión, debe recurrir a las supercomputadoras", dice Li. "Los métodos de relatividad numérica son increíblemente importantes para simular con precisión las fusiones de agujeros negros y proporcionan una base crucial para interpretar los datos de LIGO. Pero es extremadamente difícil para los físicos sacar intuiciones directamente de los resultados numéricos. La ecuación de Teukolsky nos da una visión intuitiva de lo que está pasando en la fase de llamada".
Li pudo tomar la ecuación de Teukolsky y adaptarla a los agujeros negros en el régimen más allá de la relatividad general por primera vez. "Nuestra nueva ecuación nos permite modelar y comprender las ondas gravitacionales que se propagan alrededor de los agujeros negros que son más exóticas de lo que predijo Einstein", dice.
El segundo artículo, publicado en Physical Review Letters, dirigido por el estudiante graduado de Caltech Sizheng Ma, describe una nueva forma de aplicar la ecuación de Li a los datos reales adquiridos por LIGO y sus socios en su próxima ejecución de observación. Este enfoque de análisis de datos utiliza una serie de filtros para eliminar las características del sonido de un agujero negro predicho por la relatividad general, de modo que se puedan revelar firmas potencialmente sutiles, más allá de la relatividad general.
"Podemos buscar las características descritas por la ecuación de Dongjun en los datos que recopilarán LIGO, Virgo y KAGRA", dice Ma. "Dongjun ha encontrado una manera de traducir un gran conjunto de ecuaciones complejas en una sola ecuación, y esto es tremendamente útil. Esta ecuación es más eficiente y fácil de usar que los métodos que usamos antes".
Los dos estudios se complementan bien, dice Li. "Al principio me preocupaba que las firmas que predice mi ecuación quedaran enterradas bajo los múltiples sobretonos y armónicos; afortunadamente, los filtros de Sizheng pueden eliminar todas estas características conocidas, lo que nos permite centrarnos solo en las diferencias", dice.