Reformular más de 50 años de estudio de uno de los campos más prometedores de la astrofísica: las ondas gravitacionales. Es lo que propone un trabajo liderado por Juan Calderón Bustillo, investigador «La Caixa Junior Leader» y «Marie Curie Fellow» del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), centro mixsto de la Universidade de Santiago de Compostela (USC) y la Xunta de Galicia. En el artículo publicado en la revista Physical Review X. los autores “dan la vuelta a la tortilla” de los complejos cálculos necesarios para obtener información de estos eventos. El trabajo es fruto de una colaboración del IGFAE con la Universidad de Valencia y la Chinese University of Hong Kong.

¿Qué son las ondas gravitacionales y cómo se detectan?

Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el tejido espaciotemporal que viajan a la velocidad de la luz, y que se producen a consecuencia de los eventos más violentos del Universo, como las fusiones de agujeros negros o las explosiones de estrellas (supernovas). Fueron predichas por Albert Einstein hace más de 100 años, pero no se observaron directamente hasta el año 2015, cuando lo consiguieron los experimentos LIGO (en el que participa el IGFAE) y Virgo.

Estos eventos se miden con una combinación de dos herramientas: se usan los datos recopilados por los detectores LIGO y Virgo y, a continuación, se comparan con las plantillas o modelos teóricos que describen las ondas esperadas para cada posible fuente de estas ondas, las cuales podemos simular con superordenadores. En esencia, todo funciona como una de esas aplicaciones que pueden adivinar qué canción estamos escuchando al activar el micrófono del teléfono móvil.

Integrales, derivadas, simulaciones teóricas e información de detectores

“Un problema de todo este proceso es que la mayoría de las simulaciones que se realizan no son capaces de darnos directamente el «temblor» del espacio-tiempo que leen los detectores. En su lugar, nos dan algo equivalente a su aceleración, lo que obliga a los científicos a hacer dos integrales de las simulaciones”, explica Juan Calderón, que acaba de obtener la prestigiosa beca Ramón y Cajal de la Agencia Estatal de Investigación.

El Dr. Isaac Wong, de la Universidad China de Hong Kong y colíder del estudio, explica: “Si bien la operación de realizar integrales puede parecer sencilla, puede producir errores que solo sabemos controlar para casos relativamente simples, como las fusiones de agujeros negros en órbitas circulares que LIGO y Virgo han venido detectando hasta ahora».

Las ventajas de “darle la vuelta la tortilla”

Para superar este obstáculo, el equipo ha propuesto, en resumen, “darle la vuelta a la tortilla”, ejemplifica Juan Calderón. En vez del cálculo integral, han realizado dos derivadas de los datos de los detectores, y han comparado estos resultados con las simulaciones, que de esta manera quedan intactas al no aplicárseles la integración.

En el artículo publicado en Physical Review X, los autores exponen que este nuevo enfoque ofrece importantes ventajas para conocer con mayor precisión y seguridad las características de estos impactantes fenómenos cosmológicos. «Aunque esto pueda parecer casi una tontería, conlleva grandes ventajas. En primer lugar, simplifica mucho el proceso de comparar nuestras simulaciones con los datos de LIGO y Virgo. Segundo, y mucho más importante, ahora podemos hacer esto de manera segura para cualquier fuente de ondas gravitacionales que podamos simular”, explica el investigador del IGFAE.

Más cerca de la colisión de estrellas de bosones

En 2020, los detectores LIGO y Virgo detectaron una onda gravitacional tremendamente desconcertante, conocida como GW190521. Fue la colisión de agujeros negros más masiva jamás detectada. Pero había algo más, sus características sugerían que en realidad se tratase de una colisión de estrellas de bosones, objetos propuestos teóricamente (pero aún no observados de manera directa) que podrían probar la existencia de la conocida como materia oscura.

Estos objetos “comparten similitudes con los agujeros negros, pero difieren fundamentalmente al carecer de dos características distintivas de los agujeros negros: su superficie sin retorno conocida como horizonte de eventos, y la singularidad en el interior, donde las leyes de la física se desmoronan”, explica Nicolás Sanchis-Gual, investigador de la Universidad de Valencia y coautor del nuevo estudio publicado por este equipo de astrofísicos.

Recreación de una fusión de estrellas de bosones. Créditos: Nicolas Sanchis Gual y Rocío García Souto.

Ya en 2021, los firmantes de este artículo publicaron otro trabajo en el que proponían la hipótesis de la colisión de estrellas de bosones como explicación a la magnitud de aquella misteriosa onda gravitacional. Y ahora, añaden una novedad, que exponen en otro artículo publicado en Physical Review D: al aplicar la innovadora ‘vuelta a la tortilla’ con la derivación para estudiar el evento GW190521, usando un amplio catálogo de simulaciones de estrellas de bosones y comparándolas con ondas gravitacionales detectadas por LIGO y Virgo, los resultados siguen siendo consistentes con la propuesta de que en realidad se trataba de estos enigmáticos objetos.

“Si bien podemos simular fusiones de estrellas de bosones, sacar de ellas datos que podamos comparar con los detectores nos estaba resultando extremadamente complicado. La idea de transformar los datos del detector nos ha simplificado la vida muchísimo”, añade Alejandro Torres-Forne, Profesor en la Universidad de Valencia.

En conclusión, Juan Calderón Bustillo destaca que “este resultado es una muestra del tremendo potencial de nuestra nueva técnica. Por el simple hecho de tomar derivadas, hemos posibilitado el estudio de un enorme rango de eventos astrofísicos, lo que nos ayudará a profundizar mucho más en nuestro conocimiento del cosmos a través de las ondas gravitacionales”.

Enlaces a los artículos publicados:

– Gravitational-Wave Parameter Inference with the Newman-Penrose Scalar (Phys. Rev. X 13, 041048 – publicado el 12 de diciembre de 2023).

– Searching for vector boson-star mergers within LIGO-Virgo intermediate-mass black-hole merger candidates (Phys. Rev. D 108, 123020 – publicado el 12 de diciembre 2023).