Reformular máis de 50 anos de estudo dun dos campos máis prometedores da astrofísica: as ondas gravitacionais. É o que propón un traballo liderado por Juan Calderón Bustillo, investigador “La Caixa Junior Leader” e “Marie Curie Fellow” do Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), centro mixto da Universidade de Santiago de Compostela (USC) e a Xunta de Galicia. No artigo publicado na revista Physical Review X. os autores “dan a volta á tortilla” nos complexos cálculos necesarios para obter información destes eventos. O traballo é froito dunha colaboración do IGFAE coa Universidade de Valencia e a Chinese University of Hong Kong.
Que son as ondas gravitacionais e como se detectan?
As ondas gravitacionais son ondulacións no tecido espazo-temporal que viaxan á velocidade da luz, e que se producen como consecuencia dos eventos máis violentos do Universo, como as fusións de buracos negros ou as explosións de estrelas (supernovas). Albert Einstein xa predicía a súa existencia hai máis de 100 anos, pero non se observaron directamente ata o 2015, cando o conseguiron os experimentos LIGO (no que participa o IGFAE) e Virgo.
Estes eventos mídense cunha combinación de dúas ferramentas: úsanse os datos compilados polos detectores LIGO e Virgo e, a continuación, compáranse cos modelos teóricos que describen as ondas esperadas para cada posible fonte destas ondas, as cales se poden simular con supercomputadores. En esencia, todo funciona como unha desas aplicacións que poden adiviñar que canción estamos a escoitar ao activar o micrófono do teléfono móbil.
Integrais, derivadas, simulacións teóricas e información de detectores
“Un problema de todo este proceso é que a maioría das simulacións que se realizan non son capaces de darnos directamente o “tremor” do espazo-tempo que len os detectores. No seu lugar, dannos algo equivalente á súa aceleración, o que obriga aos científicos para facer dúas integrais (operacións matemáticas) das simulacións”, explica Juan Calderón, que acaba de obter a prestixiosa bolsa Ramón e Cajal da Axencia Estatal de Investigación.
O Dr. Isaac Wong, da Universidade Chinesa de Hong Kong e colíder do estudo, explica: “Aínda que a operación de realizar integrais parece sinxela, pode producir erros que só sabemos controlar para casos relativamente simples, como as fusións de buracos negros en órbitas circulares que LIGO e Virgo viñeron detectando ata o de agora”.
As vantaxes de “darlle a volta a tortilla”
Para superar este obstáculo, o equipo propuxo, en resumo, “darlle a volta á tortilla”, exemplifica Juan Calderón. No canto do cálculo integral, realizaron dúas derivadas dos datos dos detectores, e compararon estes resultados coas simulacións, que desta maneira quedan intactas ao non aplicárselles a integración.
No artigo publicado en Physical Review X, os autores expoñen que este novo enfoque ofrece importantes vantaxes para coñecer con maior precisión e seguridade as características destes impactantes fenómenos cosmolóxicos. “Aínda que isto poida parecer case unha parvada, ofrece grandes vantaxes. En primeiro lugar, simplifica moito o proceso de comparar as nosas simulacións cos datos de LIGO e Virgo. Segundo, e moito máis importante, agora podemos facer isto de maneira segura para calquera fonte de ondas gravitacionais que podamos simular”, explica o investigador do IGFAE.
Más preto da colisión de estrelas de bosóns?
En 2020, os detectores LIGO e Virgo detectaron unha onda gravitacional tremendamente desconcertante, coñecida como GW190521. Foi a colisión de buracos negros máis masiva xamais detectada. Pero había algo máis: as súas características suxerían que en realidade tratásese dunha colisión de estrelas de bosóns, obxectos propostos teoricamente (pero aínda non observados de maneira directa) que poderían probar a existencia da coñecida como materia escura.
Estes obxectos “comparten similitudes cos buracos negros, pero difiren fundamentalmente ao carecer de dúas características distintivas dos buracos negros: a súa superficie sen retorno, coñecida como horizonte de eventos, e a singularidade no interior, onde as leis da física se esborrallan”, explica Nicolás Sanchis-Gual, investigador da Universidade de Valencia e coautor do novo estudo publicado por este equipo de astrofísicos.
Recreación dun choque de estrelas de bosóns. Crédito: Nicolas Sanchis Gual y Rocío García Souto.
Xa en 2021, os asinantes deste artigo publicaron outro traballo no que propoñían a hipótese da colisión de estrelas de bosóns como explicación á magnitude daquela misteriosa onda gravitacional. E agora, engaden unha novidade, que expoñen noutro artigo publicado este martes en Physical Review D: ao aplicar esta innovadora ‘volta á tortilla’ coa derivación para estudar o evento GW190521, usando un amplo catálogo de simulacións de estrelas de bosóns e comparándoas con ondas gravitacionais detectadas por LIGO e Virgo, os resultados seguen sendo consistentes coa proposta de que en realidade se trataban destes enigmáticos obxectos.
“Aínda que podemos simular fusións de estrelas de bosóns, sacar delas datos que podamos comparar cos detectores estaba a resultarnos extremadamente complicado. A idea de transformar os datos do detector simplificounos a vida moitísimo”, engade Alejandro Torres-Forne, Profesor na Universidade de Valencia.
En conclusión, Juan Calderón Bustillo destaca que “este resultado é unha mostra do tremendo potencial da nosa nova técnica. Polo simple feito de tomar derivadas, posibilitamos o estudo dun enorme rango de eventos astrofísicos, o que nos axudará a profundar moito máis no noso coñecemento do cosmos a través das ondas gravitacionais”.
Ligazóns aos artigos publicados:
– Gravitational-Wave Parameter Inference with the Newman-Penrose Scalar (Phys. Rev. X 13, 041048 – publicado o 12 de decembro de 2023).
– Searching for vector boson-star mergers within LIGO-Virgo intermediate-mass black-hole merger candidates (Phys. Rev. D 108, 123020 – publicado o 12 de decembro 2023).
