Las simulaciones muestran las consecuencias de la colisión del agujero negro

May 11, 2023

Nuevas simulaciones de dos agujeros negroschocando cerca de la velocidad de la luz revelan la misteriosa física de lo que un astrofísico llama "uno de los eventos más violentos que puedas imaginar en el universo".

"Es un poco loco explotar dos agujeros negros de frente muy cerca de la velocidad de la luz", dijo Thomas Helfer, becario postdoctoral en la Universidad Johns Hopkins que produjo las simulaciones. "Las ondas gravitatorias asociadas con la colisión pueden parecer anticlimáticas, pero este es uno de los eventos más violentos que puedas imaginar en el universo".

El trabajo, que aparece en Physical Review Letters, es la primera mirada detallada a las consecuencias de un choque tan catastrófico, y muestra cómo se formaría un agujero negro remanente y enviaría ondas gravitacionales a través del cosmos.

Las fusiones de agujeros negros son uno de los pocos eventos en el universo lo suficientemente energéticos como para producir ondas gravitacionales detectables, que transportan energía producida por colisiones cósmicas masivas. Como ondas en un estanque, estas ondas fluyen a través del universo distorsionando el espacio y el tiempo. Pero a diferencia de las ondas que viajan a través del agua, son extremadamente pequeñas y se propagan a través del "espacio-tiempo", el concepto alucinante que combina las tres dimensiones del espacio con la idea del tiempo.

"Si una onda gravitacional me atraviesa, me hace un poco más delgado y un poco más alto, y luego un poco más bajo y un poco más gordo", dijo el coautor Emanuele Berti, físico de Johns Hopkins. "Pero la cantidad en la que lo hace es unas 100.000 veces más pequeña que el tamaño de un núcleo atómico".

Los físicos han estudiado las ondas emitidas después de que los agujeros negros se fusionan simplificando la relatividad general, la teoría de Einstein sobre cómo funciona la gravedad, utilizando ecuaciones que ignoran los efectos gravitatorios sutiles pero importantes de la fusión. Berti cree que ese enfoque está sesgado porque se basa en "aproximaciones lineales", la suposición de que las ondas gravitatorias producidas durante la fusión son débiles.

Aunque es casi imposible que los agujeros negros colisionen a velocidades tan extremas, simular un choque de este tipo produjo señales lo suficientemente fuertes como para que el equipo detectara no linealidades o efectos gravitacionales que no se pueden encontrar con la versión simplificada de la teoría. Los hallazgos sugieren que las fusiones de agujeros negros no se pueden estudiar con ecuaciones lineales y que los modelos actuales de estos eventos deben modificarse, si no cambiarse por completo.

"La relatividad general no es lineal, lo que significa que las propias ondas gravitacionales también producirán más ondas gravitacionales", dijo Mark Ho-Yeuk Cheung, estudiante de doctorado en física de Johns Hopkins que dirigió la investigación.

El equipo también detectó estas llamadas no linealidades al analizar simulaciones de dos agujeros negros que se fusionan después de orbitar entre sí, un escenario que representa de manera más realista lo que sucede en el universo. Un estudio de las mismas simulaciones realizado por un grupo independiente de investigadores en Caltech, también aparece en las Cartas de revisión física de hoy y encuentra resultados similares.

"Es un gran problema porque no podemos olvidarnos de las complicaciones si realmente queremos entender los agujeros negros", dijo Cheung. "La teoría de Einstein es una bestia; las ecuaciones son realmente complicadas".

Los autores incluyen a Vishal Baibhav, de la Universidad Northwestern; Vitor Cardoso, del Instituto Niels Bohr y Universidad de Lisboa; Gregorio Carullo, de la Universidad Friedrich Schiller de Jena; Roberto Cotesta, de Johns Hopkins; Walter Del Pozzo, de la Universidad de Pisa; Francisco Duque, de la Universidad de Lisboa; Estuti Shukla, de la Universidad Estatal de Pensilvania; y Kaze Wong, del Instituto Flatiron. Baibhav y Wong son ex alumnos de Johns Hopkins.

Esta investigación fue apoyada por Croucher Foundation, NSF Grants No. AST-2006538, PHY-2207502, PHY-090003 and PHY-20043, y NASA Grants No. 19-ATP19-0051, 20-LPS20- 0011 and 21-ATP21- 0010. Este trabajo fue producido con recursos computacionales en el Centro de Computación de Investigación Avanzada de Maryland y el Centro de Computación Avanzada de Texas.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de la Universidad Johns Hopkins