Las fusiones de agujeros negros podrían generar ondas gravitacionales observables

Los agujeros negros, regiones del espacio-tiempo donde la gravedad es tan intensa que nada puede escapar, son fenómenos cosmológicos fascinantes y ampliamente estudiados. La teoría general de la relatividad de Einstein predice que cuando dos agujeros negros se fusionan, emiten ondas gravitacionales, que son ondulaciones en el espacio-tiempo.

Una vez que las ondas gravitacionales generadas por estas fusiones se desvanecen, podrían quedar sutiles indicios de estas ondas, conocidos como colas gravitacionales tardías. Aunque la existencia de estas colas ha sido teorizada durante mucho tiempo, su confirmación no se había logrado hasta ahora.

Un equipo de investigadores del Instituto Niels Bohr, la Universidad de Lisboa y otros centros de investigación a nivel mundial realizó simulaciones de fusiones de agujeros negros basadas en las ecuaciones de la relatividad general de Einstein. Sus simulaciones, publicadas en un artículo en Physical Review Letters, sugieren que estas colas no solo existen, sino que podrían tener una amplitud mayor de lo que se había predicho originalmente, lo que permitiría su observación en experimentos futuros.

"Cuando un agujero negro deformado, resultado de una fusión, regresa a un estado de equilibrio, emite inicialmente una superposición de frecuencias vibracionales bien definidas y discretas", explicó Marina De Amicis, autora principal del estudio, a Phys.org. "Esta fase se llama 'ringdown': una señal que se observa rutinariamente en datos reales de ondas gravitacionales y que es clave para probar la relatividad general a escalas pequeñas. Nuestro artículo muestra que el ringdown no es el final de la historia".

De Amicis y su equipo demostraron que, una vez que el ringdown se desvanece, el espacio y el tiempo permanecen ligeramente distorsionados, relajándose lentamente de nuevo a su estado original. Al hacerlo, producen un último 'susurro' conocido como 'cola'.

"Las colas proporcionan información complementaria al ringdown y abren una nueva ventana para estudiar la estructura a gran escala de las regiones de nuestro universo que contienen un agujero negro", añadió De Amicis.

Simulaciones numéricas de fusiones de agujeros negros

Estudios previos habían predicho la existencia de colas gravitacionales en configuraciones muy simples. Por ejemplo, un marco conocido como teoría de perturbaciones había anticipado la aparición de colas en forma de pequeñas ondulaciones alrededor de agujeros negros masivos.

"Algunos de nosotros mostramos anteriormente que cuando estas ondulaciones son generadas por un objeto pequeño que cae radialmente en un agujero negro, la cola se amplifica considerablemente", comentó De Amicis. "Sin embargo, la relatividad general de Einstein es mucho más rica que el escenario más simple explorado en el pasado. Este fue el objetivo de nuestro nuevo estudio: entender la predicción de la relatividad general en toda su complejidad, para fusiones de agujeros negros realistas observadas en nuestro universo".

El principal objetivo de este estudio reciente fue determinar si colas similares también existían en fusiones de agujeros negros y, de ser así, si se comportaban de manera similar a las predicciones de la teoría de perturbaciones. Para ello, realizaron simulaciones de relatividad numérica, simulaciones computacionales que resuelven las ecuaciones de la relatividad de Einstein.

"Hay dos desafíos principales para 'ver' colas en simulaciones de relatividad numérica", explicó De Amicis. "El primero es que las colas son generalmente débiles y tienden a aparecer solo cuando las simulaciones ya están dominadas por ruido numérico. Para superar esto, nos enfocamos en configuraciones iniciales que amplifican naturalmente la cola: colisiones frontales".

El segundo desafío al intentar simular colas con enfoques de relatividad numérica radica en la naturaleza inherente de estas sutiles señales persistentes. Específicamente, las colas están profundamente conectadas a la gran región que rodea a los agujeros negros, pero las simulaciones numéricas solo cubren una porción limitada del espacio, lo que corta gran parte del universo simulado.

"Esta truncación altera la cola y puede crear artefactos que oscurecen o incluso cancelan la señal por completo", comentó De Amicis. "Logramos extender la cobertura espacial de nuestras simulaciones para capturar con precisión la cola dentro de una ventana temporal relevante para observaciones realistas".

Algunas fusiones podrían amplificar las colas gravitacionales

Utilizando su enfoque, los investigadores pudieron simular fusiones de agujeros negros con alta precisión. Esto les permitió descubrir una nueva predicción de la teoría de la relatividad general de Einstein, que podría ser probada en experimentos futuros que empleen detectores de ondas gravitacionales.

"Aún más interesante, esta nueva señal, aunque recuerda lo que se esperaba de la teoría de perturbaciones, lleva impresiones de la capacidad de la gravedad para interactuar consigo misma, una propiedad conocida como no linealidad", dijo De Amicis.

"La gravedad es una fuerza débil, y son notoriamente difíciles de sondear sus efectos no lineales. Lo notable es que no solo encontramos una nueva forma de estudiar este aspecto de la gravedad, sino que lo descubrimos en tiempos tardíos, mucho después de la fusión binaria en sí, cuando se pensaba que los efectos no lineales se habían disipado".

Este trabajo reciente podría tener importantes implicaciones para futuras investigaciones. De hecho, las simulaciones del equipo implican que los efectos no lineales podrían buscarse no solo durante la breve fase en la que dos agujeros negros están fusionándose, sino también después de las fusiones durante un tiempo considerablemente más largo.

"Queremos entender el contenido no lineal de la cola tardía para ver qué puede revelar esta parte de la señal sobre la relatividad general y la naturaleza de nuestro universo", añadió De Amicis.

"Igualmente importante, planeamos evaluar bajo qué configuración observacional se pueden detectar las señales de cola con los actuales y futuros observatorios de ondas gravitacionales, y identificar con precisión qué características del universo tales detecciones podrían ayudarnos a descubrir".

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