Dos equipos independientes han demostrado que las ondas gravitacionales que emanan de los restos distorsionados de las fusiones de agujeros negros deberían interactuar entre sí. Al incluir estos efectos no lineales en sus modelos, un equipo, dirigido por Keefe Mitman en Caltech, descubrieron que podían replicar señales de ondas gravitacionales de agujeros negros simulados con "sonido" con hasta 100 veces más precisión que los enfoques anteriores. El otro equipo llegó a una conclusión similar y fue dirigido por Mark Ho-Yeuk Cheung en la Universidad Johns Hopkins
Tras la fusión violenta y enérgica de dos agujeros negros, el agujero negro distorsionado que se crea debe establecerse rápidamente en un estado de equilibrio. Para alcanzar este estado estable, el objeto libera cantidades colosales de energía en forma de ondas gravitacionales (GW), en un proceso llamado reducción del agujero negro.
En 1973, un equipo dirigido por saul teukolski fue el primero en modelar GW a partir de la reducción, más de 40 años antes de que los primeros GW se fusionaran con agujeros negros fueron detectados por el observatorio LIGO. Sin embargo, en ese momento, Teukolsky y sus colegas solo consideraron pequeñas distorsiones en los agujeros negros remanentes, algo que ahora sabemos que no es una buena descripción de lo que sucede después de una fusión.
Grandes distorsiones
“Debido a que las fusiones de agujeros negros son tan violentas, las distorsiones del agujero negro final suelen ser grandes”, explica Mitman. "Esto significa que deberíamos esperar efectos no lineales [como] efectos de la GW interactuando consigo misma a medida que se propaga a través del espacio-tiempo cerca del agujero negro, generando nuevas ondas".
A pesar de esto, los astrofísicos hasta ahora se han aferrado a la idea de que los efectos no lineales deben ser demasiado pequeños para aparecer en las señales GW observables. Como resultado, solo han considerado los efectos lineales calculados por el equipo de Teukolsky.
En un nuevo estudio, Mitman, Teukolsky y sus colegas emplearon un enfoque más avanzado para modelar los anillos de los agujeros negros. Siguiendo una sugerencia de un miembro del equipo Macarena Lagos en la Universidad de Columbia, el equipo desarrolló una nueva forma de considerar cómo un modelo podría describir la autointeracción de los GW emitidos después de las fusiones de agujeros negros.
Lagos explica: “Hemos mejorado el modelo GW al incluir interacciones no lineales de la gravedad. Consideramos varias simulaciones numéricas de fusiones de agujeros negros, que contienen interacciones tanto lineales como no lineales. Luego cuantificamos qué tan bien nuestro modelo no lineal reprodujo las simulaciones”.
Modelo más preciso
Tal como predijeron, el nuevo enfoque del equipo les permitió replicar señales GW realistas mucho más de cerca que antes. “Al incluir este término no lineal, en lugar de los términos lineales más familiares que Teukolsky ayudó a descubrir, podemos modelar con mucha más precisión los GW creados en nuestras simulaciones numéricas”, continúa Mitman. "Esto significa que cuando los agujeros negros se reducen a un estado estable, ese sonido es un proceso no lineal".
Al analizar varias simulaciones de fusiones de agujeros negros, los investigadores descubrieron que los efectos no lineales pueden representar hasta el 10% de las señales de GW, lo que las hace mucho más influyentes de lo que habían supuesto estudios anteriores. En conjunto, esto significó que el equipo podría modelar los anillos de los agujeros negros unas 100 veces más precisos que los enfoques puramente lineales.
Se necesita precaución al probar la relatividad general de Einstein usando ondas gravitacionales
El equipo dirigido por Cheung llegó a conclusiones similares y, en conjunto, los resultados podrían tener implicaciones importantes para la capacidad de los astrónomos para sondear las estructuras interiores de los agujeros negros a partir de las señales GW que emiten durante las llamadas. “Para extraer información física de las señales de GW, necesitamos modelos analíticos muy precisos que conecten las propiedades de los agujeros negros con las características de la señal detectada”, explica Lagos. "Nuestros resultados significan que los efectos no lineales son realmente importantes y será necesario incluirlos en futuras detecciones de GW".
Con una mejor comprensión de que el anillo descendente es de naturaleza no lineal, el equipo espera que sus descubrimientos pronto puedan ayudar a los astrónomos a explicar mejor los comportamientos enigmáticos de los agujeros negros.
Quizás lo más importante es que también podrían permitir a los investigadores probar la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que gobierna la dinámica de los agujeros negros, en los entornos más extremos conocidos por la astrofísica. Con la precisión que ofrecen los modelos del equipo, estas pruebas finalmente pueden resultar lo suficientemente estrictas como para llevar la teoría de Einstein a sus límites, lo que podría permitir que surja una física nueva y emocionante. Sin embargo, los astrofísicos tendrán que esperar hasta que la próxima generación de observatorios GW entre en funcionamiento porque no se espera que las instalaciones actuales de LIGO-Virgo puedan detectar efectos no lineales.
La investigación se describe en Cartas de revisión física.
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