Gracias a las recientes observaciones innovadoras, ahora sabemos que dos agujeros negros en colisión producen ondas gravitacionales: ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo. Se pensaba que la forma de onda (o forma) de la señal producida por estos eventos era demasiado compleja para calcularla, pero ahora un astrofísico teórico ha hecho precisamente eso.

En un nuevo artículo, Sean McWilliams, de la Universidad de West Virginia, ha detallado una fórmula matemática exacta para las formas de onda producidas por agujeros negros de diferente masa y giro.

Es un resultado que ayudará a producir formas de onda más precisas para el análisis posterior a la fusión, así como a arrojar luz sobre la dinámica de las colisiones de agujeros negros.

Como sabemos por el estudio de múltiples colisiones de agujeros negros, desde el primer descubrimiento de ondas gravitacionales que sacudió el Universo en septiembre de 2015, el evento ocurre en varias etapas.

Primero, cuando dos agujeros negros en un sistema binario comienzan a orbitar hacia adentro uno hacia el otro, cada vez más cerca de un curso de colisión inexorable, comienzan a producir ondas gravitacionales cada vez más rápidas, en espiral a través del Universo.

Cuando los dos agujeros negros chocan, las ondas golpean un crescendo. Luego disminuyen gradualmente a medida que el agujero negro se mueve en su nueva masa. Estas tres etapas se denominan inspiral, la fusión y la reducción de llamada.

Los agujeros negros, como todos sabemos, son los objetos de mayor gravedad en el Universo. Giran y deforman y arrastran el espacio-tiempo en su vecindad inmediata, lo que hace que el análisis matemático de estos eventos sea bastante complejo, por decir lo menos.

Lance dos agujeros negros juntos y terminará con una distorsión exponencial del espacio-tiempo, que coloca las matemáticas firmemente en un territorio no lineal , es decir, la canasta extremadamente dura.

Así que los científicos interpretaron las señales detectadas por los interferómetros de ondas gravitacionales (como LIGO) al compararlas con simulaciones por computadora basadas en la relatividad numérica . Esto funciona bastante bien, pero tiene algunas limitaciones.

Según Science, la solución de McWilliams tiene que ver con las distancias alrededor del agujero negro. Todos sabemos la distancia a la que la luz ya no puede alcanzar la velocidad de escape, el punto de no retorno. Ese es el horizonte del eventos.

Dentro de 1.5 veces la distancia del horizonte de eventos, la gravedad del agujero negro es tan fuerte que la luz se curva, los fotones se ven obligados a viajar en órbitas. Eso se llama esfera de fotones.

Y aproximadamente tres veces la distancia del horizonte de evento es la materia más cercana que puede llegar al agujero negro mientras se mantiene una órbita circular estable. Eso se llama la órbita circular más estable, o ISCO.

Los intentos anteriores de formular la forma de onda de una colisión de un agujero negro se habían encontrado con un problema con la ISCO. Dentro de esa región, cuando están definidas por las matemáticas, los cuerpos dejan de girar en espiral hacia adentro, en lugar de caer en una órbita estable.

Obviamente, eso no es lo que sucede en el mundo real, por lo que algo no estaba funcionando bien. McWilliams lo solucionó saltándose esa parte y dirigiéndose directamente al agujero negro. Luego calculó la trayectoria de una masa de prueba en espiral hacia el agujero negro, según la relatividad general.

Astrofísico calcula la forma de onda compleja de dos agujeros negros en colisión
Créditos: SXS

Esto le permitió calcular la forma de onda hacia adentro desde la ISCO. Dentro de la esfera de fotones, la masa se vuelve imposible de rastrear debido a la extraña física, pero McWilliams determinó que esto podría ignorarse de manera segura, ya que nada puede escapar de esa región para afectar las ondas gravitacionales que surgen en el espacio.

Las fórmulas resultantes produjeron formas de onda precisas para las fusiones detectadas, sorprendentemente consistentes con los resultados numéricos de relatividad obtenidos hasta el momento.

McWilliams dijo a Science:

«Seré honesto. Me sorprendió lo bien que concuerda con los resultados de la relatividad numérica».

Obviamente, es demasiado pronto para reemplazar la relatividad numérica, pero como ahora se detecta semanalmente al menos un evento de onda gravitacional , habrá muchas observaciones para poner a prueba las fórmulas de McWilliams.

El artículo científico ha sido aceptado para su publicación en Physical Review Letters, y está disponible en arXiv.

Imagen de portada: Esta simulación por computadora muestra la colisión de dos agujeros negros, que producen ondas gravitacionales. Créditos: SXS

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