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. El nuevo enfoque permite conocer con mayor precisión y seguridad las características de estos impactantes fenómenos cosmológicos
Las ondas gravitacionales son ondas en el tejido del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. Estos se producen en algunos de los acontecimientos más violentos del Universo, como las fusiones de agujeros negros, las supernovas o el propio big bang. Desde su primera detección en 2015, y después de tres series de observación, los detectores Advanced LIGO y Virgo han detectado alrededor de 100 ondas de este tipo. Gracias a ellos, estamos empezando a desvelar la población de agujeros negros de nuestro Universo, estudiar la gravedad en su régimen más extremo e incluso determinar la formación de elementos como el oro o el platino durante la fusión de estrellas de neutrones.
Los detectores LIGO y Virgo no son más que los regentes más precisos jamás construidos por la humanidad, capaces de medir la sutil compresión y estiramiento del espacio-tiempo producido por las ondas gravitacionales. La detección de ondas y la determinación de sus fuentes se basa en la comparación de los datos del detector con modelos teóricos, o "plantillas", para las ondas emitidas por cada tipo de fuente. Esta es, en esencia, la forma en que la famosa aplicación Shazam nos cuenta los detalles (nombre, autor, año…) de la música que suena en un bar.
Si bien hay varias formas de calcular plantillas de ondas gravitacionales, la más precisa (y a veces la única) es mediante simulaciones numéricas extremadamente precisas realizadas en algunas de las supercomputadoras más poderosas del mundo. Sin embargo, hay una advertencia: la mayoría de las simulaciones numéricas no generan la cantidad que leen los detectores, conocida como deformación, sino su derivada segunda, conocida como escalar de Newman-Penrose. Esto hace que los científicos necesiten realizar dos integrales de tiempo sobre el resultado de sus simulaciones. El Dr. Isaac Wong, codirector del estudio de la Universidad China de Hong Kong, explica: "Si bien tomar integrales puede parecer simple, esta operación está sujeta a errores bien conocidos que sólo podemos manejar para fuentes bastante simples como la fusión de agujeros negros en órbitas circulares que LIGO y Virgo han estado detectando hasta ahora. Además, hacer esto no es sencillo y requiere bastante ajuste manual que implica decisiones humanas”.
En un trabajo reciente publicado en la prestigiosa revista Physical Review X, un equipo dirigido por el Dr. Juan Calderón Bustillo “La Caixa Junior Leader” y “Marie Curie Fellow” en el Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE), –centro mixto de la Universidad de Santiago de Compostela y la Xunta de Galicia- y el Dr. Isaac Wong, de la Universidad China de Hong Kong ha propuesto cambiar la forma en que se han realizado los análisis de ondas gravitacionales desde su nacimiento. En lugar de tomar integrales en sus simulaciones, los autores proponen tomar derivadas de los datos del detector, sin modificar sus simulaciones. El Dr. Calderón-Bustillo explica: “Si bien esto puede parecer un ajuste bastante trivial, conlleva grandes ventajas. En primer lugar, esto simplifica enormemente el proceso de obtención de plantillas que se pueden comparar con los datos de LIGO-Virgo. Lo más importante es que ahora podemos hacer esto de forma segura para cualquier fuente que las supercomputadoras puedan simular”.
De hecho, el equipo lleva mucho tiempo interesado en estudiar la posibilidad de que algunas de las señales actuales puedan deberse a algo mucho más exótico y misterioso, conocido como estrellas de bosones. El Dr. Sanchis-Gual, coautor del estudio de la Universidad de Valencia, dijo: “Las estrellas bosónicas se comportan de manera muy parecida a los agujeros negros, pero son fundamentalmente diferentes, ya que carecen de los dos aspectos más distintivos (y algo problemáticos) de los agujeros negros: su superficie de no retorno conocida como horizonte de sucesos, y la singularidad en el interior, donde se rompen las leyes de la física”. Si bien el equipo sabía cómo simular estas fuentes en supercomputadoras, "estábamos teniendo verdaderos problemas para entender cómo transformar el resultado de nuestras simulaciones en algo que pudiéramos comparar con los datos del detector, debido a problemas bien conocidos". La idea de tomar derivados de los datos hizo las cosas extremadamente simples”, dice el profesor Alejandro Torres, también de la Universidad de Valencia.
Como primera aplicación de su nueva técnica, en un trabajo separado publicado en Physical Review D, el equipo comparó algunos eventos de ondas gravitacionales observados por LIGO y Virgo con un gran catálogo de simulaciones de fusiones de bosones y estrellas. “Si existen fusiones de estrellas de bosones, podrían explicar al menos parte de lo que conocemos como materia oscura”, afirma el profesor Carlos Herdeiro, de la Universidad de Aveiro. De hecho, el equipo descubrió que uno de los eventos más misteriosos observados hasta la fecha, conocido como GW190521, es consistente con tales simulaciones. Esto refuerza un resultado similar obtenido por el equipo en 2020, obtenido utilizando un catálogo significativamente más pequeño.
Samson Leong, estudiante de doctorado de la Universidad China de Hong Kong, involucrado en ambos estudios, dice: "Es muy emocionante ver que GW190521 es consistente con una fusión de bosones y estrellas. Esto no subraya el papel potencial de estos objetos exóticos en el futuro de la astronomía de ondas gravitacionales”. Finalmente, el Prof. Tjonnie Li, de K.U. Leuven añade que “este resultado también demuestra el poder de nuestro nuevo enfoque. Simplemente tomando derivadas, hemos abierto una ventana más amplia para explorar y comprender el cosmos a través de ondas gravitacionales”.
