Ondas gravitacionales: la física avanza en la comprensión del fenómeno que predijo Einstein

Unas arrugas en el espacio-tiempo predichas por Albert Einstein y detectadas por primera vez en 2015. Así suelen describirse las ondas gravitacionales, un fenómeno hacia cuya comprensión da ahora un paso la comunidad científica gracias a nuevos hallazgos.

Un equipo internacional liderado por investigadores de la Universidad Humboldt de Berlín y la Universidad Queen Mary de Londres ha establecido un nuevo paradigma en la modelización matemática de las colisiones entre agujeros negros y estrellas de neutrones.

Este avance, publicado en Nature, permitirá interpretar con mayor precisión los datos recogidos por los observatorios especializados, marcando un antes y un después en la astronomía de ondas gravitacionales.

Un nuevo método para cálculos más precisos

Los científicos han desarrollado un método que mejora drásticamente la precisión de los cálculos necesarios para entender estos fenómenos cósmicos.

"Estos hallazgos ayudarán a dar forma al futuro de la astronomía de ondas gravitacionales al mejorar los modelos que se utilizan para interpretar los datos observacionales", explica Benjamin Sauer, de la Universidad de Humboldt y uno de los firmantes del estudio.

La investigación resulta especialmente oportuna ahora que observatorios como LIGO están entrando en una fase de mayor sensibilidad y nuevos proyectos como LISA se encuentran en desarrollo.

Un nuevo enfoque matemático para fenómenos complejos

Aunque conceptualmente el proceso físico de interacción entre dos agujeros negros puede parecer sencillo, su descripción matemática requiere una extraordinaria precisión.

Jan Plefka, otro de los investigadores de la Universidad de Humboldt que firma el estudio, señala esta peculiaridad: mientras el concepto es relativamente simple, trasladarlo a ecuaciones es extraordinariamente complejo.

El equipo científico adoptó una estrategia innovadora para resolver este reto. En lugar de abordar directamente toda la complejidad del problema, comenzaron con aproximaciones simples que fueron refinando progresivamente.

Este enfoque incremental les permitió examinar con detalle cómo las interacciones entre objetos idénticos afectan a la emisión de ondas gravitacionales.

Espacios de Calabi-Yau

Un aspecto sorprendente de la investigación fue el descubrimiento de que ciertas estructuras geométricas conocidas como espacios de Calabi-Yau, tradicionalmente consideradas como abstracciones puramente matemáticas, resultan fundamentales para describir estos fenómenos astrofísicos reales.

Este hallazgo establece un puente fascinante entre las matemáticas teóricas y la física observacional.

Implicaciones para la astronomía moderna

Las ondas gravitacionales han revolucionado nuestra comprensión del cosmos desde su primera detección hace apenas ocho años.

Al contrario que las ondas electromagnéticas (como la luz visible o las ondas de radio), las gravitacionales atraviesan el universo sin apenas distorsión, proporcionando información única sobre eventos cósmicos violentos.

Los modelos actuales que interpretan los datos de los detectores de ondas gravitacionales, aunque funcionales, presentan limitaciones importantes.

Los cálculos numéricos pueden llevar semanas y consumen enormes recursos informáticos. La nueva metodología promete superar estas restricciones, ofreciendo aproximaciones más precisas y eficientes.

"La interpretación de las observaciones de los detectores de ondas gravitacionales necesita modelos muy precisos del aspecto que podrían tener las señales", señalan los investigadores.

El trabajo desarrollado permitirá identificar con mayor exactitud el origen y características de estas señales captadas por observatorios como LIGO.

¿Qué son las ondas gravitacionales?

Las ondas gravitacionales son perturbaciones en la curvatura del espacio-tiempo que se propagan como ondas a la velocidad de la luz.

Fueron predichas por Albert Einstein en 1916 como parte de su teoría de la relatividad general, pero su detección directa no se logró hasta casi un siglo después.

Estas ondas se producen cuando masas aceleran, como ocurre en colisiones de agujeros negros, fusiones de estrellas de neutrones o explosiones de supernovas.

Sin embargo, debido a que la gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, las ondas gravitacionales son extraordinariamente difíciles de detectar.

La primera observación directa, realizada el 14 de septiembre de 2015 por los observatorios LIGO en Estados Unidos, captó las ondas procedentes de la fusión de dos agujeros negros situados a 1.300 millones de años luz de la Tierra. Este descubrimiento, que mereció el Premio Nobel de Física en 2017, abrió una nueva ventana para observar el universo.

¿Por qué es importante este avance científico?

El desarrollo de modelos más precisos para interpretar las señales de ondas gravitacionales tiene implicaciones profundas para la astrofísica. Estos avances permitirán a los científicos extraer información más detallada sobre la formación y evolución de agujeros negros, la estructura interna de las estrellas de neutrones y, en última instancia, sobre la evolución de las galaxias.

Además, esta investigación demuestra cómo conceptos matemáticos aparentemente abstractos pueden tener aplicaciones prácticas en la comprensión del universo observable.

Los espacios de Calabi-Yau, que aparecieron en los cálculos del equipo, han sido estudiados principalmente en el contexto de la teoría de cuerdas y la geometría compleja. Su presencia en el estudio de ondas gravitacionales sugiere conexiones profundas entre diferentes ramas de la física teórica.

Con la próxima generación de detectores de ondas gravitacionales, como el observatorio espacial LISA (Laser Interferometer Space Antenna) desarrollado por la Agencia Espacial Europea, la precisión de los modelos teóricos se volverá aún más crucial.

Estos nuevos observatorios tendrán la capacidad de detectar señales más débiles y a mayores distancias, abriendo posibilidades para descubrimientos que ni siquiera podemos todavía imaginar.

¿Cómo funcionan los observatorios de ondas gravitacionales?

Los observatorios como LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) utilizan interferómetros láser para detectar los minúsculos cambios en la distancia causados por el paso de ondas gravitacionales. Estos cambios son increíblemente pequeños: alrededor de una diezmilésima parte del diámetro de un protón.

El principio básico consiste en dividir un haz láser en dos rayos que viajan por túneles perpendiculares de varios kilómetros de longitud. Tras rebotar en espejos al final de cada túnel, los rayos regresan y se recombinan. Si una onda gravitacional pasa por el observatorio, estira ligeramente el espacio en una dirección y lo comprime en la otra, alterando el patrón de interferencia de los rayos láser de manera característica.

La extrema sensibilidad necesaria para estas mediciones hace que los observatorios sean vulnerables a perturbaciones locales, desde pequeños terremotos hasta el tráfico cercano. Por ello, se requiere un sistema de aislamiento sofisticado y múltiples detectores distribuidos geográficamente para confirmar las observaciones.