SXS (Simulación de Espacio-tiempos Extremos) es una colaboración científica en curso que lleva varias décadas generando simulaciones de eventos dramáticos en el espacio, en particular fusiones de sistemas binarios de agujeros negros. Recientemente, SXS publicó un artículo que describe la versión 3 de su catálogo de simulaciones de agujeros negros binarios, seis años después de la publicación de la versión 2. El artículo se publicó en la revista Classical and Quantum Gravity.
En 2015, LIGO (el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser) observó con éxito por primera vez las ondas gravitacionales (ondulaciones en el espacio-tiempo causadas por dramáticos eventos celestes). Sin embargo, los astrofísicos teóricos de la colaboración SXS ya llevaban dos décadas trabajando arduamente para calcular el aspecto que podrían tener estas ondas al llegar a la Tierra.
Las ondas gravitacionales se crean por diversos eventos cosmológicos, como las fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros, y atraviesan el espacio e incluso la Tierra.
Detectores muy sensibles como LIGO registran las perturbaciones producidas por estas ondas gravitacionales a su paso y luego intentan determinar qué tipo de evento celeste las originó. Pero es igualmente importante abordar este desafío desde la dirección opuesta, calculando qué formas de onda gravitacionales resultarían de diferentes tipos de eventos celestes antes de que se disponga de detecciones. Esto es lo que hace la colaboración SXS.
Resolver las ecuaciones de Einstein para la fusión de agujeros negros es extremadamente difícil. «Se pueden tomar las ecuaciones de Einstein y escribirlas en una forma que se describe como hiperbólica, lo cual es adecuado para el análisis de fenómenos ondulatorios», explica Keefe Mitman (Ph.D.), actualmente investigador de la NASA en la Universidad de Cornell.
«Esto significa que si se proporcionan a estas ecuaciones algún tipo de datos iniciales, existe una solución única para su evolución con el tiempo. Y a medida que avanzamos hacia resultados de mayor resolución, podemos esperar convergencia: simulaciones que se acercan cada vez más a la solución exacta que se esperaría de las ecuaciones de Einstein».
Hoy en día, los científicos de SXS y LIGO intercambian sus datos y ecuaciones, vinculando predicciones con observaciones y viceversa.
En este punto, afirma Mitman, «estamos haciendo lo suficiente y LIGO apenas se está poniendo al día. Hasta ahora, cuando LIGO detectaba algo, sus astrofísicos podían consultar el catálogo de SXS y encontrar una simulación que sugiriera qué estaba sucediendo con sus observaciones. Si no encontraban lo que necesitaban, podían solicitar a SXS una nueva simulación con parámetros diferentes que pudieran ajustarse mejor a sus datos».
Pero ¿quién sabe qué nos deparará el futuro? En las décadas de 1970 y 1980, teorizar eventos como las fusiones de agujeros negros mediante una técnica matemática conocida como relatividad numérica parecía más difícil que simplemente detectar ondas gravitacionales al llegar a la Tierra, y esa tarea parecía entre extremadamente difícil y completamente imposible. Sin embargo, en 50 años, la detección de ondas gravitacionales se hizo realidad.
Algún día, los datos podrían superar a la teoría, por lo que los investigadores de la colaboración SXS continúan trabajando diligentemente para teorizar todo el espectro de posibles fusiones de agujeros negros.
Generan las formas de onda que estos eventos traerían a los detectores de ondas gravitacionales, que ahora incluyen, además de LIGO, el interferómetro Virgo cerca de Pisa (Italia) y KAGRA (Detector de Ondas Gravitacionales de Kamioka), un interferómetro en la prefectura de Gifu (Japón). Próximamente, se incorporarán interferómetros espaciales como LISA (Antena Espacial de Interferometría Láser) y DECIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferometría de DECi-hertz).
SXS publica sus modelos en línea, donde cualquiera puede, por así decirlo, extraer una simulación específica y su código informático de la biblioteca.
El catálogo ampliado, recién publicado, casi duplica el tamaño de su versión anterior: 3756 simulaciones en comparación con el catálogo de 2019. Estas simulaciones también tienen en cuenta una propiedad de las ondas gravitacionales predicha por la relatividad general, pero que no se había incluido anteriormente: la memoria de ondas gravitacionales.
«Normalmente, cuando pensamos en ondas, por ejemplo, las ondas concéntricas en expansión que se producen al lanzar una piedra a un estanque, sabemos que, transcurrido un tiempo, se dispersarán y la superficie del estanque volverá a ser plana», afirma Mitman.
«Con las ondas gravitacionales, la situación es un poco diferente. Cuando una onda gravitacional atraviesa una región del espacio-tiempo, ese espacio se expande y se contrae con los picos y valles de la onda gravitacional. Pero una vez que la onda gravitacional ha pasado, esa región del espacio no vuelve a ser como antes. Cambia permanentemente. Esa región del espacio-tiempo recuerda lo sucedido, por eso lo llamamos efecto memoria».
Con el efecto memoria de las ondas gravitacionales ahora incluido en las simulaciones de SXS, los teóricos se están acercando a predicciones cada vez más precisas sobre las fusiones de agujeros negros.
«El catálogo es ampliamente utilizado por la comunidad mundial de ondas gravitacionales, con decenas de artículos que lo citan cada año», según Saul Teukolsky, profesor Robinson de Astrofísica Teórica.
«Por ejemplo, los modelos de forma de onda utilizados para buscar eventos en los datos de LIGO se calibran con las simulaciones de alta precisión del catálogo. Y las ideas teóricas sobre la relatividad general pueden contrastarse con estas simulaciones, que resuelven las ecuaciones exactas de la teoría de Einstein».
«Las fusiones de agujeros negros solo pueden detectarse mediante ondas gravitacionales», explica Mitman, por lo que el trabajo de SXS es vital para ampliar los límites de la física fundamental a nivel cosmológico.
Con información de Classical and Quantum Gravity
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