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La teoría general de la relatividad de Albert Einstein describe cómo la estructura del espacio y el tiempo, o espacio-tiempo, se curva en respuesta a la masa. Por ejemplo, nuestro Sol curva el espacio que nos rodea de tal manera que el planeta Tierra gira alrededor del Sol como una pelota arrojada a un embudo (la Tierra no cae sobre el Sol debido al impulso lateral de la Tierra).
La teoría, que fue revolucionaria en el momento en que se propuso en 1915, transformó la gravedad en una curvatura del espacio-tiempo. A pesar de lo fundamental que es esta teoría para la naturaleza misma del espacio que nos rodea, los físicos dicen que este puede no ser el final de la historia. En cambio, argumentan que las teorías de la gravedad cuántica, que intentan unificar la relatividad general con la física cuántica, guardan secretos sobre cómo funciona nuestro universo en sus niveles más profundos.
Un lugar para buscar firmas de gravedad cuántica es en colisiones masivas de agujeros negros, donde la gravedad es más extrema. Los agujeros negros son los objetos más densos del universo: su gravedad es tan fuerte que los objetos que caen en ellos se convierten en fideos con forma de espagueti. Cuando dos agujeros negros chocan y se fusionan en un cuerpo más grande, barren el espacio-tiempo a su alrededor y envían ondas llamadas ondas gravitacionales en todas direcciones.
LIGO, financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, operado por Caltech y el MIT, ha detectado rutinariamente ondas gravitacionales generadas por fusiones de agujeros negros desde 2015. Sin embargo, hasta ahora, la relatividad general ha pasado prueba tras prueba sin ningún signo de colapso.
Ahora dos nuevos periódicos dirigidos por Caltech, w X revisión física Y Cartas de inspección físicadescribir nuevos métodos para someter a la relatividad general a pruebas aún más rigurosas. Al observar de cerca las estructuras de los agujeros negros y las ondas que producen en el espacio-tiempo, los científicos buscan signos de ligeras desviaciones de la relatividad general que indiquen la presencia de gravedad cuántica.
“Cuando dos agujeros negros se fusionan para formar un agujero negro más grande, el agujero negro final suena como una campana”, explica Yanbei Chen (Ph.D. ’03), profesor de física de Caltech y coautor de ambos estudios. “La calidad del timbre o su timbre puede diferir de las predicciones de la relatividad general si ciertas teorías de la gravedad cuántica son correctas. Nuestros métodos están diseñados para buscar diferencias en la calidad de esta fase de timbre, como armónicos y, por ejemplo, sobretonos”.
El primer artículo, codirigido por el estudiante graduado de Caltech Dongjun Li y el estudiante graduado de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Pratik Wagle, proporciona una nueva ecuación única que describe cómo sonarían los agujeros negros bajo ciertas teorías de la gravedad cuántica, o lo que los científicos llaman un régimen. más allá de la teoría general de la relatividad.
La ecuación de Dongjun Li y sus colegas describe cómo sonarían los agujeros negros en un régimen fuera de la relatividad general. Fuente: Instituto de Tecnología de California
El trabajo se basa en una ecuación innovadora desarrollada hace 50 años por Saul Teukolsky (PhD ’73), profesor Robinson de astrofísica teórica en Caltech. Teukolsky desarrolló una ecuación compleja para comprender mejor cómo se propagan las ondas de la geometría del espacio-tiempo alrededor de los agujeros negros. A diferencia de los métodos numéricos de la relatividad, donde las supercomputadoras tienen que resolver simultáneamente muchas ecuaciones diferenciales relacionadas con la relatividad general, la ecuación de Teukolsky es mucho más simple de usar y, explica Li, proporciona una visión física directa del problema.
“Si uno quiere resolver todas las ecuaciones de fusión de agujeros negros de Einstein para simularlas con precisión, debe recurrir a las supercomputadoras”, dice Li. “Los métodos de la relatividad numérica son extremadamente importantes para simular con precisión las fusiones de agujeros negros y son una base clave para interpretar los datos de LIGO. Sin embargo, es extremadamente difícil para los físicos sacar conclusiones directamente de los resultados numéricos. La ecuación de Teukolsky nos da una visión intuitiva de lo que sucede en la fase de llamada”.
Li pudo tomar la ecuación de Teukolsky por primera vez y adaptarla a los agujeros negros en un régimen fuera de la relatividad general. “Nuestra nueva ecuación nos permite modelar y comprender las ondas gravitatorias que se propagan alrededor de los agujeros negros, que son más exóticas de lo que predijo Einstein”, dice.
El segundo artículo, publicado en Cartas de inspección física, dirigido por el estudiante graduado de Caltech Sizheng Ma, describe una nueva forma de aplicar la ecuación de Li a los datos del mundo real recopilados por LIGO y sus socios en su próximo ciclo de observación. Este enfoque para el análisis de datos utiliza una serie de filtros para eliminar las características del anillo de agujeros negros predichas por la relatividad general, por lo que se pueden revelar firmas potencialmente sutiles más allá de la relatividad general.
“Podemos buscar características descritas por la ecuación de Dongjun en los datos recopilados por LIGO, Virgo y KAGRA”, dice Ma. “Dongjun ha encontrado una manera de traducir un gran conjunto de ecuaciones complejas en una ecuación, lo cual es extremadamente útil. Esta ecuación es más eficiente y fácil de usar que los métodos que hemos usado antes”.
Li dice que los dos estudios se complementan bien. “Al principio me preocupaba que las firmas que predecía mi ecuación quedaran enterradas bajo muchos sobretonos y armónicos; afortunadamente, los filtros Sizheng pueden eliminar todas estas características familiares, lo que nos permite centrarnos solo en las diferencias”, dice.
Chen agregó: “Trabajando juntos, los descubrimientos de Li y Ma podrían mejorar en gran medida la capacidad de nuestra comunidad para estudiar la gravedad”.
El primer estudio, titulado “Perturbaciones de agujeros negros giratorios más allá de la relatividad general: la ecuación de Teukolsky modificada”, fue financiado por la Fundación Simons, la Fundación Brinson y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF). Otros autores incluyen a Nicolás Yunes de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. El segundo estudio, titulado “Espectroscopia de agujeros negros usando modos limpios”, fue financiado por la Fundación Brinson, la Fundación Simons, la NSF y el Centro de Excelencia del Consejo de Investigación Australiano para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales (OzGrav). Ling Sun de la Universidad Nacional de Australia también es coautor.
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de California