La física debe prestar mucha atención.

La teoría general de la relatividad, desarrollada por Albert Einstein, explica cómo la masa hace que la estructura del espacio y el tiempo, o espacio-tiempo, se deforme. Este enfoque reformula la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo.

A pesar de lo importante que es esta teoría para nuestra comprensión del universo, los físicos enfatizan que puede no ser la última palabra. En cambio, afirmaron que las teorías cuánticas de la gravedad, cuyo objetivo es combinar la relatividad general y la física cuántica, son la clave para comprender los principios fundamentales que subyacen al funcionamiento de nuestro universo.

Las fuertes colisiones entre agujeros negros, donde la gravedad es más intensa, es un lugar para buscar signos de gravedad cuántica. Los agujeros negros que chocan golpean el espacio-tiempo a su alrededor, enviando ondas llamadas ondas gravitacionales hacia afuera en todas las direcciones.

Financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, LIGO, y operado por el Instituto de Tecnología de California y el Instituto de Tecnología de Massachusetts, ha descrito nuevas formas de someter la relatividad general a pruebas aún más rigurosas. Al examinar detenidamente las estructuras de los agujeros negros y las ondas que provocan en el espacio-tiempo, los científicos buscan ligeras desviaciones de la relatividad general que puedan indicar la existencia de la gravedad cuántica.

Yanbei Chen (PhD03), profesor de física en Caltech y coautor de ambos estudios, dijo: Cuando dos agujeros negros se fusionan para producir un agujero negro más grande, el último agujero negro suena como una campana. La calidad de la resonancia, o su timbre, puede diferir de las predicciones de la relatividad general si algunas teorías de la gravedad cuántica son correctas. Nuestros métodos están diseñados para buscar diferencias en esta calidad de fase de tono, como armónicos y tonos, por ejemplo. «

En una investigación, los investigadores presentaron una nueva ecuación para describir la resonancia de los agujeros negros en el contexto de las teorías de la gravedad cuántica específica o el llamado sistema de relatividad general.

La investigación amplía una ecuación innovadora creada hace 50 años por el profesor de astrofísica teórica de Caltech Robinson, Saul Teukolsky (PhD ’73). Para comprender cómo se propagan las ondas en la geometría del espacio-tiempo alrededor de los agujeros negros, Teukolski ideó una ecuación engañosa.

Dongjun Li, un estudiante graduado de Caltech, dijo: «Si uno quiere resolver todas las ecuaciones de Einstein para una fusión de agujeros negros para simularla con precisión, debe recurrir a las supercomputadoras. Los métodos de la relatividad numérica son extremadamente importantes para simular con precisión las fusiones de agujeros negros y proporcionan una base crucial para interpretar LIGO datos. Pero es extremadamente difícil para los físicos sacar intuiciones directamente de los resultados numéricos. La ecuación de Teukolsky nos da una visión intuitiva de lo que está pasando en la fase de bucle».

«Nuestra nueva ecuación nos permite modelar y comprender las ondas gravitacionales que se propagan alrededor de los agujeros negros que son mucho más exóticas de lo que esperaba Einstein».

El segundo estudio describe un nuevo método para aplicar la ecuación de Li a los datos reales obtenidos por LIGO y sus socios en el siguiente ejercicio de observación. Este método de procesamiento de datos elimina las propiedades de resonancia del agujero negro predichas por la relatividad general mediante el uso de una serie de filtros para identificar signos de relatividad general que pueden ser sutiles.

Sizheng Ma, estudiante de posgrado de Caltech, dijo: «Podemos buscar las características descritas por la ecuación de Dongjun en los datos que recopilarán LIGO, Virgo y KAGRA. Dongjun ha encontrado una manera de traducir un gran conjunto de ecuaciones complejas en una sola ecuación, lo cual es muy útil. Esta ecuación es más eficiente y más fácil de usar que los métodos anteriores.”

me dijo , «Los dos estudios se complementan muy bien. Al principio me preocupaba que las firmas que predecía mi ecuación quedaran enterradas bajo politonos y armónicos; afortunadamente, los filtros Sizheng pueden eliminar todas estas características conocidas, lo que nos permite centrarnos en las diferencias».

Referencias de revistas:

1. Dongjun Li, Pratik Wagle, Yanbei Chen y Nicolás Yunes. Perturbaciones en órbita alrededor de agujeros negros más allá de la relatividad general: una ecuación de Tyukolsky modificada. Revisión física X. DOI: 10.1103/PhysRevX.13.021029
2. Sizheng Ma, Ling Sun y Yanbei Chen. Espectrómetro de agujero negro por modo de limpieza. Cartas de revisión física. DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.141401