Mediante derivadas en lugar de integrales, investigadores de España y China han encontrado una forma más sencilla de resolver complejos cálculos que se utilizan para obtener información sobre ondas gravitacionales, como las que detectan los experimentos LIGO y Virgo. El nuevo enfoque permite conocer con mayor precisión y seguridad las características de estos impactantes fenómenos cosmológicos.
Reformular más de 50 años de estudio de uno de los campos más prometedores de la astrofísica: las ondas gravitacionales. Es lo que propone un trabajo liderado por Juan Calderón Bustillo, investigador del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE, centro mixto de la Universidade de Santiago de Compostela y la Xunta de Galicia).
Junto a otros científicos de la Universidad de Valencia y la Universidad China de Hong Kong, publica un artículo en la revista Physical Review X donde plantean una propuesta para simplificar los complejos cálculos necesarios para obtener información de estos eventos astrofísicos.
La ondas gravitacionales son ondulaciones en el tejido espaciotemporal que viajan a la velocidad de la luz, y que se producen a consecuencia de los eventos más violentos del universo, como las fusiones de agujeros negros o las explosiones de estrellas (supernovas). Fueron predichas por Albert Einstein hace más de 100 años, pero no se observaron directamente hasta el año 2015, cuando lo consiguieron los experimentos LIGO y Virgo.
Estos eventos se miden con una combinación de dos herramientas: se usan los datos recopilados por estos grandes detectores y, a continuación, se comparan con las plantillas o modelos teóricos que describen las ondas esperadas para cada posible fuente de estas ondas, las cuales se pueden simular con superordenadores. En esencia, todo funciona como una de esas aplicaciones que pueden adivinar qué canción estamos escuchando al activar el micrófono del teléfono móvil.
“Un problema de todo este proceso es que la mayoría de las simulaciones que se realizan no son capaces de darnos directamente el 'temblor' del espacio-tiempo que leen los detectores. En su lugar, nos dan algo equivalente a su aceleración, lo que obliga a los científicos a hacer dos integrales de las simulaciones”, explica Calderón, investigador La Caixa Junior Leader, Marie Curie Fellow y que también acaba de obtener una beca Ramón y Cajal de la Agencia Estatal de Investigación.
Por su parte, otro de los coautores, Isaac Wong, de la Universidad China de Hong Kong, explica: “Si bien la operación de realizar integrales puede parecer sencilla, puede producir errores que solo sabemos controlar para casos relativamente simples, como las fusiones de agujeros negros en órbitas circulares que LIGO y Virgo han venido detectando hasta ahora”.
Para superar este obstáculo, el equipo ha propuesto, en resumen, “darle la vuelta a la tortilla”, ejemplifica Calderón. En vez del cálculo integral, han realizado dos derivadas de los datos de los detectores, y han comparado estos resultados con las simulaciones, que de esta manera quedan intactas al no aplicárseles la integración.
En su artículo, los autores exponen que este nuevo enfoque ofrece importantes ventajas para conocer con mayor precisión y seguridad las características de estos impactantes fenómenos cosmológicos.
“Aunque esto pueda parecer casi una tontería, conlleva grandes ventajas. En primer lugar, simplifica mucho el proceso de comparar nuestras simulaciones con los datos de LIGO y Virgo. Segundo, y mucho más importante, ahora podemos hacer esto de manera segura para cualquier fuente de ondas gravitacionales que podamos simular”, explica el investigador del IGFAE.
Además de simplificar la comparación de nuestras simulaciones con los datos de LIGO y Virgo, ahora podemos hacer esto de manera segura para cualquier fuente de ondas gravitacionales que podamos simular
Los autores han aplicado su técnica a un caso concreto. En 2020, los detectores LIGO y Virgo detectaron una onda gravitacional tremendamente desconcertante, conocida como GW190521. Fue la colisión de agujeros negros más masiva jamás detectada.
Pero había algo más, sus características sugerían que en realidad se tratase de una colisión de estrellas de bosones, objetos propuestos teóricamente (pero aún no observados de manera directa) que podrían probar la existencia de la conocida como materia oscura.
Recreación de una fusión de estrellas de bosones. / Nicolas Sanchis Gual y Rocío García Souto.
Estos objetos “comparten similitudes con los agujeros negros, pero difieren fundamentalmente al carecer de dos características distintivas de los agujeros negros: su superficie sin retorno conocida como horizonte de eventos, y la singularidad en el interior, donde las leyes de la física se desmoronan”, explica el coautor Nicolás Sanchis-Gual, investigador de la Universidad de Valencia.
Ya en 2021, los firmantes de este estudio publicaron otro en el que proponían la hipótesis de la colisión de estrellas de bosones como explicación a la magnitud de aquella misteriosa onda gravitacional. Y ahora, añaden una novedad, que exponen en otro artículo publicado en Physical Review D.
Al aplicar la innovadora ‘vuelta a la tortilla’ con la derivación para estudiar el evento GW190521, usando un amplio catálogo de simulaciones de estrellas de bosones y comparándolas con ondas gravitacionales detectadas por LIGO y Virgo, los resultados siguen siendo consistentes con la propuesta de que en realidad se trataba de estos enigmáticos objetos.
“Si bien podemos simular fusiones de estrellas de bosones, sacar de ellas datos que podamos comparar con los detectores nos estaba resultando extremadamente complicado. La idea de transformar los datos del detector nos ha simplificado la vida muchísimo”, añade Alejandro Torres-Forne, profesor en la Universidad de Valencia.
En conclusión, Calderón destaca que “este resultado es una muestra del tremendo potencial de nuestra nueva técnica. Por el simple hecho de tomar derivadas, hemos posibilitado el estudio de un enorme rango de eventos astrofísicos, lo que nos ayudará a profundizar mucho más en nuestro conocimiento del cosmos a través de las ondas gravitacionales”.
Referencias:
J. Calderón Bustillo et al. “Gravitational-Wave Parameter Inference with the Newman-Penrose Scalar”. Phys. Rev. X, 2023
J. Calderón Bustillo et al. “Searching for vector boson-star mergers within LIGO-Virgo intermediate-mass black-hole merger candidates”. Phys. Rev. D, 2023
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