Crédito de la imagen: Penn State
Los científicos de Penn State han alcanzado un nuevo hito en el esfuerzo por modelar dos agujeros negros en órbita, un evento que se espera genere fuertes ondas gravitacionales. "Hemos descubierto una forma de modelar numéricamente, por primera vez, una órbita de dos agujeros negros inspiradores", dice Bernd Bruegmann, profesor asociado de física e investigador del Instituto de física y geometría gravitacional de Penn State. La investigación de Bruegmann es parte de un esfuerzo mundial para atrapar la primera onda de gravedad en el acto de rodar sobre la Tierra.
Un artículo que describe estas simulaciones se publicará en la edición del 28 de mayo de 2004 de la revista Physical Review Letters. El artículo es escrito por Bruegmann y dos académicos posdoctorales en su grupo en Penn State, Nina Jansen y Wolfgang Tichy.
Los agujeros negros se describen en la teoría de la relatividad general de Einstein, que ofrece una descripción muy precisa de la interacción gravitacional. Sin embargo, las ecuaciones de Einstein son complicadas y notoriamente difíciles de resolver, incluso numéricamente. Además, los agujeros negros plantean sus propios problemas. Dentro de cada agujero negro acecha lo que se conoce como singularidad espacio-temporal. Cualquier objeto que se acerque demasiado será arrastrado hacia el centro del agujero negro sin ninguna posibilidad de escapar nuevamente, y experimentará enormes fuerzas gravitacionales que lo destrozarán.
"Cuando modelamos estas condiciones extremas en la computadora, encontramos que los agujeros negros quieren devorar y desgarrar la cuadrícula numérica de puntos que usamos para aproximar los agujeros negros", dice Bruegmann. "Un solo agujero negro ya es difícil de modelar, pero dos agujeros negros en las etapas finales de su inspiración son mucho más difíciles debido a la dinámica altamente no lineal de la teoría de Einstein". Las simulaciones por computadora de los binarios de agujeros negros tienden a volverse inestables y colapsar después de un tiempo finito, que solía ser significativamente más corto que el tiempo requerido para una órbita.
"La técnica que hemos desarrollado se basa en una cuadrícula que se mueve junto con los agujeros negros, minimizando su movimiento y distorsión, y dándonos el tiempo suficiente para que completen una órbita en espiral antes de que la simulación por computadora se bloquee", dice Bruegmann. Él ofrece una analogía para ilustrar la estrategia de "cuadrícula de co-movimiento": "Si estás parado afuera de un carrusel y quieres mirar a una persona, tienes que seguir moviendo la cabeza para seguir mirándolo mientras gira. Pero si está parado en el carrusel, debe mirar en una sola dirección porque esa persona ya no se mueve en relación con usted, aunque ambos están dando vueltas en círculos ".
La construcción de una red de co-movimiento es una innovación importante del trabajo de Bruegmann. Si bien no es una idea nueva para los físicos, es un desafío hacer que funcione con dos agujeros negros. Los investigadores también agregaron un mecanismo de retroalimentación para hacer ajustes dinámicamente a medida que evolucionan los agujeros negros. El resultado es un esquema elaborado que realmente funciona para dos agujeros negros durante aproximadamente una órbita del movimiento en espiral.
"Si bien modelar interacciones de agujeros negros y ondas gravitacionales es un proyecto muy difícil, el resultado del profesor Bruegmann ofrece una buena visión de cómo finalmente podemos tener éxito en este esfuerzo de simulación", dice Richard Matzner, profesor de la Universidad de Texas en Austin e investigador principal de la Alianza Binary Black Hole Grand Challenge de la National Science Foundation que sentó las bases de la relatividad numérica en los años 90.
Abhay Ashtekar, Profesor de Física de Eberly y Director del Instituto de Física y Geometría Gravitacional, agrega: “La reciente simulación del grupo del profesor Bruegmann es un hito porque abre la puerta a realizar análisis numéricos de una variedad de colisiones de agujeros negros que se encuentran entre los eventos más interesantes para la astronomía de ondas gravitacionales ".
Esta investigación fue financiada por subvenciones de la National Science Foundation, incluida una para el Frontier Center for Gravitational Wave Physics establecida por la National Science Foundation en el Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry.
Fuente original: Comunicado de prensa de Penn State
