Físicos revolucionan la comprensión de las ondas gravitacionales

Un estudio fundamental ha establecido un nuevo referente en la modelización de los eventos más extremos del universo: las colisiones de agujeros negros y estrellas de neutrones.

Este logro fue el resultado de una extensa colaboración internacional de diversas universidades europeas y de métodos matemáticos y computacionales avanzados

Esta investigación, dirigida por el profesor Jan Plefka de la Universidad Humboldt de Berlín y el doctor Gustav Mogull de la Universidad Queen Mary de Londres (Reino Unido), anteriormente de la Universidad Humboldt y del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein), ambos en Alemania, y realizada en colaboración con un equipo internacional de físicos, proporciona una precisión sin precedentes en cálculos cruciales para la comprensión de las ondas gravitacionales, tal y como se publica en 'Nature'.

Utilizando técnicas de vanguardia inspiradas en la teoría cuántica de campos, el equipo calculó el quinto orden post-Minkowskiano (5PM) para observables como los ángulos de dispersión, la energía radiada y el retroceso. Un aspecto innovador del trabajo es la aparición de los períodos triples de Calabi-Yau (estructuras geométricas basadas en la teoría de cuerdas y la geometría algebraica) dentro de la energía radiativa y el retroceso. Estas estructuras, antes consideradas puramente matemáticas, ahora son relevantes para la descripción de fenómenos astrofísicos del mundo real.

Con observatorios de ondas gravitacionales como LIGO entrando en una nueva fase de sensibilidad y detectores de próxima generación como LISA en el horizonte, esta investigación satisface la creciente demanda de modelos teóricos de extraordinaria precisión.

Benjamin Sauer, doctorando en la Universidad Humboldt de Berlín, añade en un comunicado: "La aparición de las geometrías de Calabi-Yau profundiza nuestra comprensión de la interacción entre las matemáticas y la física. Estos descubrimientos definirán el futuro de la astronomía de ondas gravitacionales al mejorar las plantillas que utilizamos para interpretar los datos observacionales".

Esta precisión es particularmente importante para capturar señales de sistemas con límites elípticos, donde las órbitas se parecen más a eventos de dispersión de alta velocidad, un dominio donde las suposiciones tradicionales sobre los agujeros negros de movimiento lento ya no se aplican.

Las ondas gravitacionales, ondulaciones en el espacio-tiempo causadas por la aceleración de objetos masivos, han revolucionado la astrofísica desde su primera detección en 2015. La capacidad de modelar estas ondas con precisión mejora nuestra comprensión de los fenómenos cósmicos, incluido el retroceso de los agujeros negros después de dispersarse, un proceso con implicaciones de gran alcance para la formación y evolución de las galaxias.

Quizás lo más fascinante es que el descubrimiento de las estructuras de Calabi-Yau en este contexto conecta el ámbito macroscópico de la astrofísica con las complejas matemáticas de la mecánica cuántica. "Esto podría cambiar radicalmente la forma en que los físicos abordan estas funciones", agrega el doctor Uhre Jakobsen, miembro del equipo del Instituto Max Planck de Física Gravitacional y la Universidad Humboldt de Berlín. "Al demostrar su relevancia física, podemos centrarnos en ejemplos específicos que ilustran procesos genuinos de la naturaleza".

El proyecto empleó más de 300.000 horas de computación de alto rendimiento en el Instituto Zuse de Berlín para resolver las ecuaciones que rigen las interacciones de los agujeros negros, lo que demuestra el papel indispensable de la física computacional en la ciencia moderna. "La rápida disponibilidad de estos recursos computacionales fue clave para el éxito del proyecto", añade el doctorando Mathias Driesse, quien dirigió las tareas de computación.

El profesor Plefka enfatiza la naturaleza colaborativa del trabajo: "Este avance pone de relieve cómo los esfuerzos interdisciplinarios pueden superar desafíos que antes se consideraban insuperables. Desde la teoría matemática hasta la computación práctica, esta investigación ejemplifica la sinergia necesaria para ampliar los límites del conocimiento humano".

Este avance no solo impulsa el campo de la física de ondas gravitacionales, sino que también acorta la distancia entre las matemáticas abstractas y el universo observable, allanando el camino para descubrimientos futuros. La colaboración está preparada para ampliar sus esfuerzos, explorando cálculos de orden superior y utilizando los nuevos resultados en futuros modelos de formas de onda gravitacionales. Más allá de la física teórica, las herramientas computacionales utilizadas en este estudio, como KIRA, también tienen aplicaciones en campos como la física de colisionadores.