Los científicos han realizado las predicciones más precisas de las esquivas perturbaciones espaciales causadas cuando dos agujeros negros vuelan de cerca entre sí.
Los nuevos hallazgos, publicado El miércoles (14 de mayo) en la revista Nature, demuestre que los conceptos matemáticos abstractos de la física teórica tienen un uso práctico en el modelado de ondas espaciales, allanando el camino para que los modelos más precisos interpreten datos de observación.
Olas gravitacionales son distorsiones en la tela del espacio-tiempo causado por el movimiento de objetos masivos como agujeros negros o estrellas de neutrones. Primero predicho en Albert Einstein’s Teoría de la relatividad general En 1915, fueron detectado directamente Por primera vez un siglo después, en 2015. Desde entonces, estas ondas se han convertido en una poderosa herramienta de observación para los astrónomos que investigan algunos de los eventos más violentos y enigmáticos del universo.
Para dar sentido a las señales recogidas por detectores sensibles como Ligo (El Observatorio de onda gravitacional del interferómetro láser) y Virgo, los científicos necesitan modelos extremadamente precisos de cómo se espera que se vean esas ondas, similar en espíritu para pronosticar. clima espacial. Hasta ahora, los investigadores se han basado en poderosas supercomputadoras para simular interacciones de agujeros negros que requieren refinar trayectorias de agujeros negros paso a paso, un proceso que es efectivo pero lento y computacionalmente costoso.
Ahora, un equipo dirigido por Mathias Driesse de la Universidad Humboldt en Berlín ha adoptado un enfoque diferente. En lugar de estudiar fusiones, los investigadores se centraron en “eventos de dispersión”, casos en los que dos agujeros negros se arremolinan cerca de otros bajo su atracción gravitacional mutua y luego continúan en caminos separados sin fusionarse. Estos encuentros generan fuertes señales de onda gravitacional a medida que los agujeros negros se aceleran entre sí.
Para modelar estos eventos con precisión, el equipo recurrió a teoría de campo cuánticoque es una rama de la física típicamente utilizada para describir las interacciones entre las partículas elementales. Comenzando con aproximaciones simples y complejidad sistemáticamente en capas, los investigadores calcularon los resultados clave de los volantes de los agujeros negros: cuánto se desvían, cuánta energía se irradia como ondas gravitacionales y cuánto retroceden los gigantes después de la interacción.
Su trabajo incorporó cinco niveles de complejidad, alcanzando lo que los físicos llaman el quinto orden post-Minkowskian, el nivel más alto de precisión jamás logrado en el modelado de estas interacciones.
Al alcanzar este nivel “no tiene precedentes, y representa la solución más precisa a las ecuaciones de Einstein producidas hasta la fecha”, dijo Gustav Mogull, físico de partículas en la Universidad Queen Mary de Londres y coautor del estudio, dijo Space.com.
La reacción del equipo al lograr la precisión histórica fue “principalmente asombro que logramos hacer el trabajo”, recordó Mogull.
Al calcular la energía irradiada como ondas gravitacionales, los investigadores encontraron que las intrincadas formas de seis dimensiones conocidas como colectores calabi-yau aparecieron en las ecuaciones. Estas estructuras geométricas abstractas, a menudo visualizadas como análogos dimensionales de superficies de donas, han sido un elemento básico de teoría de cuerdasun marco que intenta unificar la mecánica cuántica con gravedad. Hasta ahora, se creía que eran construcciones puramente matemáticas, sin ningún papel directamente comprobable vinculado a fenómenos observables.
Sin embargo, en el nuevo estudio, estas formas aparecieron en los cálculos que describen la energía irradiada como ondas gravitacionales cuando dos agujeros negros pasaron entre sí. Esta marca la primera vez que aparecen en un contexto que, en principio, podría probarse a través de experimentos del mundo real.
Mogull compara su aparición a cambiar de una lupa a un microscopio, revelando características y patrones previamente indetectables. “La apariencia de tales estructuras arroja nueva luz sobre los tipos de objetos matemáticos de los que se construye la naturaleza”, dijo.
Se espera que estos hallazgos mejoren significativamente los modelos teóricos futuros que tienen como objetivo predecir las firmas de ondas gravitacionales. Tales mejoras serán cruciales como detectores de ondas gravitacionales de próxima generación, incluidos los planificados Antena espacial del interferómetro láser (Lisa) y el telescopio Einstein en Europa, se conectan en línea en los próximos años.
“La mejora en la precisión es necesaria para mantenerse al día con la mayor precisión prevista de estos detectores”, dijo Mogull.