Una col·laboració internacional encapçalada per Jan Plefka (Universitat Humboldt de Berlín) i Gustav Mogull (Queen Mary University of London), publicada aquesta setmana a la revista Nature, ha aconseguit una predicció sense precedents sobre les ones gravitacionals emeses quan dos forats negres o estrelles de neutrons interactuen. L’estudi representa una fita en la modelització teòrica dels fenòmens més extrems de l’univers i podria marcar el camí cap a models més precisos per interpretar futures observacions d’ones gravitacionals.
El nou enfocament revela com es modifica l’emissió d’ones gravitacionals quan dos objectes massius s’apropen o es dispersen entre ells
Des que es detectaren per primer cop el 2015, les ones gravitacionals —ondulacions en el teixit de l’espai-temps provocades per objectes massius accelerats— han transformat l’astrofísica. Tanmateix, interpretar correctament les dades obtingudes per observatoris com LIGO, Virgo o el futur LISA requereix models teòrics d’altíssima precisió. Fins ara, les simulacions numèriques disponibles eren molt costoses computacionalment i requerien setmanes de càlculs.
El nou enfocament, desenvolupat per Plefka i el seu equip, aplica tècniques de teoria quàntica de camps i teoria de pertorbacions per resoldre amb una gran precisió l’anomenat problema dels dos cossos, és a dir, com es modifica l’emissió d’ones gravitacionals quan dos objectes massius s’apropen o es dispersen entre ells. El model és capaç de proporcionar resultats analítics sobre els angles de dispersió, l’energia irradiada i l’efecte de retrocés, també conegut com a «copa gravitacional».
Una de les troballes més sorprenents és l’aparició de varietats de Calabi–Yau —estructures geomètriques complexes provinents de la teoria de cordes— en els càlculs de l’energia irradiada i del retrocés. Aquestes varietats, tradicionalment considerades com a abstraccions matemàtiques de sis dimensions, troben per primer cop una connexió directa amb fenòmens físics observables. «La seva presència aprofundeix en la nostra comprensió del vincle entre la física i les matemàtiques», destaca Benjamin Sauer, investigador de la Universitat Humboldt. «Aquest descobriment pot canviar radicalment com abordem aquestes funcions en física teòrica», afegeix Uhre Jakobsen, de l’Institut Max Planck de Física Gravitacional.
L’equip va utilitzar més de 300.000 hores de computació —és a dir, l’equivalent a tenir 300 GPUs processant durant 1.000 hores, o a la inversa— d’alt rendiment per resoldre les equacions implicades, la qual cosa posa de manifest el paper cabdal de la física computacional. «La disponibilitat immediata d’aquests recursos va ser essencial per a l’èxit del projecte», afirma el doctorand Mathias Driesse, responsable d’aquesta part de l’estudi.
Els esforços interdisciplinaris —des de la teoria pura fins al càlcul pràctic— poden superar reptes que abans semblaven insalvables
Jan Plefka
En un comentari que acompanya l’article, el investigador Zhengwen Liu subratlla la precisió del model com a «de referència». Segons Liu, aquests resultats impulsaran el desenvolupament de models encara més exactes, cabdals per interpretar les dades de futurs experiments com el Telescopi Einstein a Europa o el detector espacial d’ones gravitacionals LISA.
A més de fer avançar el camp de la física d’ones gravitacionals, aquest treball obre un pont entre la matemàtica abstracta i l’univers observable. «Aquest avenç demostra com els esforços interdisciplinaris —des de la teoria pura fins al càlcul pràctic— poden superar reptes que abans semblaven insalvables», conclou Plefka.
Referència:
Plefka et al. Emergence of Calabi–Yau manifolds in high-precision black-hole scattering. Nature (2025)
Drets: Creative Commons.