Un estudio publicado en Nature ha establecido un nuevo referente en la modelización de los eventos más extremos del universo: las colisiones de agujeros negros y estrellas de neutrones. Esta investigación, dirigida por el profesor Jan Plefka de la Universidad Humboldt de Berlín y el Dr. Gustav Mogull de la Universidad Queen Mary de Londres, anteriormente de la Universidad Humboldt y del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein), y realizada en colaboración con un equipo internacional de físicos, proporciona una precisión sin precedentes en cálculos cruciales para la comprensión de las ondas gravitacionales.
Utilizando técnicas de vanguardia inspiradas en la teoría cuántica de campos, el equipo calculó el quinto orden post-Minkowskiano (5PM) para observables como los ángulos de dispersión, la energía radiada y el retroceso. Un aspecto innovador del trabajo es la aparición de los períodos triples de Calabi-Yau (estructuras geométricas basadas en la teoría de cuerdas y la geometría algebraica) dentro de la energía radiativa y el retroceso. Estas estructuras, antes consideradas puramente matemáticas, ahora son relevantes para describir fenómenos astrofísicos del mundo real.
Con observatorios de ondas gravitacionales como LIGO entrando en una nueva fase de sensibilidad y detectores de nueva generación como LISA en el horizonte, esta investigación satisface la creciente demanda de modelos teóricos de extraordinaria precisión.
El Dr. Mogull explica: «Si bien el proceso físico de dos agujeros negros interactuando y dispersándose por gravedad que estamos estudiando es conceptualmente simple, el nivel de precisión matemática y computacional requerido es inmenso».
Benjamin Sauer, candidato a doctorado en la Universidad Humboldt de Berlín, añade: «La aparición de las geometrías de Calabi-Yau profundiza nuestra comprensión de la interacción entre las matemáticas y la física. Estos descubrimientos definirán el futuro de la astronomía de ondas gravitacionales al mejorar las plantillas que utilizamos para interpretar los datos observacionales».
Esta precisión es particularmente importante para captar señales de sistemas elípticos, donde las órbitas se asemejan más a los eventos de dispersión de alta velocidad, un dominio donde las suposiciones tradicionales sobre los agujeros negros de movimiento lento ya no son aplicables.
Las ondas gravitacionales, ondulaciones en el espacio-tiempo causadas por la aceleración de objetos masivos, han revolucionado la astrofísica desde su primera detección en 2015. La capacidad de modelar estas ondas con precisión mejora nuestra comprensión de los fenómenos cósmicos, incluyendo el retroceso de los agujeros negros tras la dispersión, un proceso con profundas implicaciones para la formación y evolución de galaxias.
Quizás lo más tentador es que el descubrimiento de las estructuras de Calabi-Yau en este contexto conecta el ámbito macroscópico de la astrofísica con las complejas matemáticas de la mecánica cuántica.
«Esto podría cambiar fundamentalmente la forma en que los físicos abordan estas funciones», afirma el Dr. Uhre Jakobsen, miembro del equipo del Instituto Max Planck de Física Gravitacional y la Universidad Humboldt de Berlín. Al demostrar su relevancia física, podemos centrarnos en ejemplos específicos que ilustran procesos genuinos de la naturaleza.
El proyecto empleó más de 300.000 horas de computación de alto rendimiento en el Instituto Zuse de Berlín para resolver las ecuaciones que rigen las interacciones de los agujeros negros, lo que demuestra el papel indispensable de la física computacional en la ciencia moderna.
La rápida disponibilidad de estos recursos computacionales fue clave para el éxito del proyecto, añade el doctorando Mathias Driesse, quien dirigió las tareas computacionales.
El profesor Plefka afirma: «Este avance pone de relieve cómo los esfuerzos interdisciplinarios pueden superar retos que antes se consideraban insuperables. Desde la teoría matemática hasta la computación práctica, esta investigación ejemplifica la sinergia necesaria para ampliar los límites del conocimiento humano».
Este avance no solo impulsa el campo de la física de ondas gravitacionales, sino que también cierra la brecha entre las matemáticas abstractas y el universo observable, allanando el camino para descubrimientos futuros. La colaboración está preparada para ampliar sus esfuerzos, explorando cálculos de orden superior y utilizando los nuevos resultados en futuros modelos de formas de onda gravitacionales. Más allá de la física teórica, las herramientas computacionales utilizadas en este estudio, como KIRA, también tienen aplicaciones en campos como la física de colisionadores.
Con información de Nature
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