Un científico realiza el primer estudio no lineal de imitadores de agujeros negros

En una investigación reciente, un científico de la Universidad de Princeton realizó el primer estudio no lineal de fusiones en simuladores de agujeros negros, con el objetivo de comprender la naturaleza de las señales de ondas gravitacionales que emanan de estos objetos, lo que podría ayudar a identificar los agujeros negros con mayor precisión.

Los simuladores de agujeros negros son objetos astronómicos virtuales que imitan los agujeros negros, particularmente en sus señales de ondas gravitacionales y sus efectos sobre los objetos circundantes. Sin embargo, carecen de un horizonte de sucesos, que es el punto de no retorno.

La investigación fue realizada por Nils Simensen, asistente de investigación de la Universidad de Princeton, quien habló con Phys.org sobre su trabajo.

«Los imitadores de agujeros negros son objetos que están notablemente cerca de los agujeros negros pero que carecen de un horizonte de sucesos», dijo. «Observacionalmente, podemos ser capaces de distinguir entre agujeros negros y objetos que imitan la mayoría de sus propiedades utilizando observaciones de ondas gravitacionales».

el estudio ha sido publicado en Cartas de revisión de materialesEste libro se centra en un tipo de simulación de agujeros negros llamados estrellas de bosones. Según el Dr. Simonsen, la clave para distinguirlos de los agujeros negros reside en las ondas gravitacionales que se emiten cuando las estrellas bosónicas chocan y se fusionan.

Estrellas de bosones binarios y fusiones.

Las estrellas de bosones son un posible candidato para imitar los agujeros negros y, como sugiere su nombre, están formadas por bosones. Los bosones son partículas subatómicas, como los fotones y la partícula de Higgs.

Las estrellas de bosones están formadas por bosones estándar, como los axiones virtuales, que no tienen giro, lo que significa que no tienen momento angular intrínseco. Los campos estándar de partículas forman una configuración estable ligada gravitacionalmente sin necesidad de una interacción fuerte.

Investigaciones anteriores Las investigaciones han demostrado que la fusión de un sistema estelar binario de bosones genera señales de ondas gravitacionales, que son ondas en el espacio-tiempo causadas por procesos violentos.

Estas señales coinciden universalmente con las señales de resonancia (o post-fusión) de los agujeros negros, independientemente de la estructura interna del simulador de agujeros negros.

La diferencia en las señales de ondas gravitacionales emitidas se puede ver tras el tiempo que la luz pasa por el interior del simulador, que es el tiempo que tarda la luz en atravesar el diámetro del simulador, que en este caso es la estrella de bosones.

En el caso de las simulaciones de agujeros negros, estos se caracterizan por repetidos ecos gravitacionales similares a explosiones.

Al tratar de mejorar investigaciones anteriores, el Dr. Simonsen trató de abordar cuestiones como la falta de tener en cuenta los efectos gravitacionales no lineales y la exclusión de las interacciones entre el objeto y la materia.

Procesamiento no lineal y autoconsistente de simuladores de agujeros negros.

Para abordar las limitaciones de estudios anteriores, el Dr. Simonsen utilizó simulaciones numéricas para resolver las ecuaciones completas de Einstein-Klein-Gordon, que describen la evolución de campos escalares, como los de las estrellas de bosones.

Para la fusión, el estudio se centró en escenarios de grandes proporciones de masa, es decir, la fusión de una estrella bosónica más pequeña con una estrella más grande y compacta, describiendo las ecuaciones de Klein-Gordon una colisión directa de un sistema estelar binario.

La ecuación de Klein-Gordon, junto con las ecuaciones de campo de Einstein, que describen la dinámica gravitacional, permiten estudiar la evolución autoconsistente del sistema.

Para resolver el conjunto de ecuaciones, el Dr. Simonsen utilizó la técnica de relajación de Newton-Raphson combinada con métodos de diferencias finitas de quinto orden.

Explicó los desafíos al aplicar estas técnicas: «Sólo bajo ciertas condiciones se forma un simulador de agujero negro a partir de la fusión de dos estrellas de bosones. La región de la solución donde esto sucede plantea un desafío particular para la simulación debido a la gran separación entre balanza.»

Para superar este problema, se han utilizado métodos como la optimización de malla adaptativa y la resolución ultraalta.

Explosiones de alta frecuencia

Las simulaciones revelaron que la señal de onda gravitacional del anillo contiene un componente similar a una explosión con diferentes propiedades, como se pensaba anteriormente, así como un componente de onda gravitacional de período largo.

«Ninguno de estos componentes está presente en una fusión binaria normal de agujeros negros y en un descenso de anillos. Esto puede guiar futuras búsquedas de ondas gravitacionales centradas en probar el modelo de agujero negro», explicó el Dr. Simonsen.

Sin embargo, la señal de onda gravitacional inicial del simulador se asemeja a la de un agujero negro en rotación, conocido como agujero negro de Kerr, a medida que el núcleo (o la estrella bosónica más grande) se vuelve más compacta y densa.

El estudio encontró que el momento de las explosiones depende del tamaño de la estrella de bosones más pequeña involucrada en la fusión.

Además, encontraron un componente de larga duración con una frecuencia similar a la que se esperaría de un agujero negro, probablemente debido a las oscilaciones del objeto restante.

«Los agujeros negros estabilizan su estado inerte en escalas de tiempo muy cortas. Por otro lado, generalmente se cree que los imitadores de agujeros negros reemiten parte de la energía disponible al fusionarse en forma de ondas gravitacionales, mientras que estas últimas resuenan en escalas de tiempo relativamente largas. «, explicó el Dr. Simonsen.

Finalmente, el estudio reveló que la energía total liberada en ondas gravitacionales es mucho mayor de lo esperado en un evento similar de fusión de agujeros negros.

Trabajo futuro

Los dos componentes identificados en el estudio se pueden utilizar como discriminador entre restos de fusión de agujeros negros y imitaciones de agujeros negros.

«Sin embargo, todavía quedan muchas preguntas sin respuesta sobre las propiedades de los simuladores de agujeros negros bien motivados y su dinámica de resonancia de fusión y hundimiento», añadió el Dr. Simonsen.

Hablando sobre el trabajo futuro, señaló: “Una dirección futura interesante es observar un simulador de agujero negro bien excitado y comprender su dinámica espiral, combinatoria y de caída de resonancia en un contexto binario.

«Además, analizar las resonancias de estas imitaciones bien motivadas utilizando técnicas perturbativas y acoplarlas a manipulaciones no lineales es crucial para guiar las pruebas futuras del modelo de agujero negro utilizando observaciones de ondas gravitacionales».

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