Eugenio M. Fernández Aguilar, Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital – Muy Interesante, 20/12/2024
Cuando Albert Einstein propuso su teoría de la Relatividad General en 1915, pocos podrían haber imaginado el alcance de sus predicciones. Aunque la teoría ha superado todos los desafíos experimentales hasta ahora, aún quedan fenómenos por confirmar.
Entre ellos, se encuentra el efecto de memoria de las ondas gravitacionales, un fenómeno que, en palabras sencillas, deja una marca permanente en el tejido del espacio-tiempo cuando pasa una onda gravitacional.
Ahora, un equipo internacional de investigadores ha dado un paso clave en la búsqueda de este efecto. Un nuevo estudio propone cómo detectar el efecto de memoria de las ondas gravitacionales procedente de las supernovas de colapso del núcleo (CCSN). Utilizando datos de simulaciones de vanguardia y técnicas modernas de filtrado, los científicos aseguran que es posible encontrar este efecto con los observatorios actuales.
El efecto de memoria gravitacional: qué es y por qué importa. El efecto de memoria gravitacional predicho por la relatividad de Einstein consiste en una deformación permanente en el espacio-tiempo después del paso de una onda gravitacional. A diferencia de las ondas tradicionales, que oscilan y luego desaparecen, este fenómeno deja una “huella” permanente que altera las distancias entre dos puntos en el espacio. Esta propiedad tan singular lo convierte en una de las pruebas más intrigantes y aún no verificadas de la Relatividad General.
Un símil de andar por casa. El efecto de memoria de las ondas gravitacionales puede compararse con el comportamiento de los materiales plásticos frente a los elásticos.
En un material elástico, como un muelle o una goma, la deformación que provoca una fuerza es temporal y desaparece cuando la fuerza deja de actuar. Esto es similar a la mayoría de las ondas, como las sonoras, que oscilan y luego desaparecen sin dejar rastro.
En cambio, los materiales plásticos, como la arcilla, mantienen una deformación permanente tras la aplicación de una fuerza. De forma análoga, cuando una onda gravitacional atraviesa el espacio-tiempo, no solo genera una oscilación temporal, sino que deja una deformación permanente, una “huella” en el tejido del espacio-tiempo que persiste incluso después de que la onda haya pasado. Esta característica singular es lo que hace al efecto de memoria gravitacional único y tan difícil de detectar.
Existen dos tipos principales de efecto de memoria: lineal y no lineal.
Efecto de memoria lineal. El efecto de memoria lineal surge como resultado de la emisión anisotrópica de ondas gravitacionales, es decir, cuando una fuente cósmica, como una supernova, libera energía de forma desigual en distintas direcciones.
Este desequilibrio genera un cambio permanente en el espacio-tiempo que se manifiesta como una deformación residual. En el caso de las supernovas de colapso del núcleo (CCSN), la asimetría en la emisión de neutrinos y la eyección de materia durante la explosión son los principales responsables de este fenómeno.
La señal resultante, aunque débil en comparación con otras ondas gravitacionales, tiene una duración prolongada y muestra una característica rampa de ascenso que se estabiliza en un valor final no nulo, lo que lo convierte en un candidato ideal para su estudio en eventos cercanos.
En el contexto de las supernovas, el efecto de memoria lineal es particularmente relevante debido a la emisión asimétrica de neutrinos. Las explosiones de supernovas liberan enormes cantidades de energía en forma de ondas gravitacionales y neutrinos, pero cualquier asimetría en esta emisión produce un cambio duradero en el espacio-tiempo.
Efecto de memoria no lineal. El efecto de memoria gravitacional no lineal, también conocido como efecto de Christodoulou, es más complejo y surge de la interacción de las propias ondas gravitacionales con el espacio-tiempo que atraviesan.
En este caso, el paso de una onda gravitacional inicial perturba el espacio-tiempo de tal manera que provoca la generación de nuevas ondas gravitacionales secundarias, amplificando y modificando el efecto inicial.
Este fenómeno se debe a la naturaleza geométrica de la Relatividad General, donde el espacio-tiempo no es un fondo pasivo, sino que interactúa activamente con las ondas que lo atraviesan.
Aunque ambos efectos coexisten, su magnitud varía dependiendo de la fuente: en las CCSN, el efecto lineal predomina, mientras que en fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones, el efecto no lineal puede ser más relevante debido a las intensas perturbaciones gravitacionales generadas.
Un nuevo enfoque basado en simulaciones. El estudio, liderado por Colter J. Richardson y su equipo, se basa en simulaciones tridimensionales avanzadas de supernovas. Utilizaron el modelo CHIMERA para analizar estrellas de diferentes masas, desde 9,6 hasta 25 masas solares. Estas simulaciones mostraron un comportamiento distintivo en las ondas gravitacionales, donde la deformación del espacio-tiempo aumenta de forma gradual hasta alcanzar un valor estable y permanente, característico del efecto de memoria.
Lo interesante es que, a pesar de que la señal es compleja y aleatoria, los investigadores identificaron un patrón regulare en las fases de memoria. Este comportamiento pudo ser modelado con funciones logísticas, las mismas que se utilizan para estudiar fenómenos de crecimiento poblacional. Según los autores, este modelo simplificado facilita el proceso de búsqueda de las señales en los datos reales.
Las señales más fuertes se encontraron en las simulaciones de supernovas con 25 masas solares, donde la asimetría y el movimiento de la materia durante la explosión generaron una emisión gravitacional más pronunciada. En el caso de estrellas de menor masa, como la de 9,6 masas solares, la señal del efecto de memoria fue mucho más débil debido a la menor asimetría en la expulsión de material.
Cómo encontrar la memoria entre el ruido. Detectar el efecto de memoria no es una tarea sencilla debido al ruido presente en los detectores actuales, como LIGO o Virgo. Para resolverlo, los investigadores aplicaron un método de filtrado lineal predictivo combinado con filtrado por coincidencia.
En este proceso, el ruido se elimina progresivamente mientras que la señal se compara con plantillas preexistentes generadas por las simulaciones.
El resultado fue alentador: demostraron que una supernova con 25 masas solares podría ser detectada hasta una distancia de 10 kiloparsecs (unos 30.000 años luz), con una probabilidad de falsa alarma inferior al 0,05 %.
Esto significa que si una supernova lo suficientemente cercana ocurre en nuestra galaxia, los observatorios actuales serían capaces de identificar el efecto de memoria.
Por otra parte, los autores señalaron que al reducir la ventana de búsqueda a solo dos segundos, utilizando información adicional de neutrinos detectados simultáneamente, las posibilidades de éxito aumentan considerablemente. En este sentido, el trabajo propone un enfoque prometedor para la detección del efecto con los instrumentos disponibles.
Lo que está por venir. Confirmar la existencia del efecto de memoria gravitacional no solo validaría una de las últimas predicciones de Einstein, sino que abriría la puerta a nuevas formas de estudiar los fenómenos más extremos del universo. Las ondas gravitacionales generadas por supernovas permiten observar el interior de estos eventos, algo que no es posible con la luz visible, que proviene solo de las capas externas.
El equipo también sugiere que este enfoque podría extenderse a otros eventos astrofísicos, como las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones. Aunque el efecto de memoria es más débil en estas fusiones, las mejoras en la sensibilidad de los detectores podrían hacer posible su detección en el futuro.
Por otro lado, proyectos como el Laser Interferometer Space Antenna (LISA), un observatorio espacial planeado para la próxima década, permitirán explorar frecuencias gravitacionales más bajas, donde el efecto de memoria es más evidente.
Un aporte del Director de la Revista UNOFAR, Antonio Varas Clavel
Las opiniones en esta sección, son de responsabilidad de sus autores y no reflejan necesariamente el pensamiento de la Unión de Oficiales en Retiro de la Defensa Nacional