Una investigación internacional descubre que estructuras matemáticas propias de la teoría de cuerdas, como las variedades de Calabi–Yau, son clave para entender la energía radiada durante estos eventos extremos del universo. Las previsiones logradas no tienen precedentes.
Una colaboración internacional liderada por Jan Plefka (Universidad Humboldt de Berlín) y Gustav Mogull (Queen Mary University of London), publicada esta semana en la revista Nature, ha logrado una predicción sin precedentes sobre las ondas gravitacionales emitidas cuando dos agujeros negros o estrellas de neutrones interactúan. El estudio representa un hito en la modelización teórica de los fenómenos más extremos del universo y podría marcar el camino hacia modelos más precisos para interpretar futuras observaciones de ondas gravitacionales.
Desde que se detectaron por primera vez en 2015, las ondas gravitacionales —ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo provocadas por objetos masivos acelerados— han transformado la astrofísica. Sin embargo, interpretar correctamente los datos obtenidos por observatorios como LIGO, Virgo o el futuro LISA requiere de modelos teóricos de altísima precisión. Hasta ahora, las simulaciones numéricas disponibles eran muy costosas computacionalmente y requerían semanas de cálculos.
El nuevo enfoque, desarrollado por Plefka y su equipo, aplica técnicas de teoría cuántica de campos y teoría de perturbaciones para resolver con alta precisión el llamado problema de dos cuerpos, es decir, cómo se modifica la emisión de ondas gravitacionales cuando dos objetos masivos se aproximan o dispersan entre sí. El modelo es capaz de proporcionar resultados analíticos sobre ángulos de dispersión, energía radiada y el efecto de retroceso, también conocido como ‘patada gravitacional’.
Una de las revelaciones más sorprendentes es la aparición de variedades de Calabi–Yau —estructuras geométricas complejas que surgen de la teoría de cuerdas— en los cálculos de la energía radiada y del retroceso. Estas variedades, tradicionalmente consideradas como abstracciones matemáticas de seis dimensiones, encuentran por primera vez una conexión directa con fenómenos físicos observables. "Su presencia profundiza nuestra comprensión del vínculo entre la física y las matemáticas", destaca Benjamin Sauer, investigador de la Universidad Humboldt. "Este descubrimiento puede cambiar radicalmente cómo abordamos estas funciones en física teórica", añade Uhre Jakobsen, del Instituto Max Planck de Física Gravitacional.
El equipo utilizó más de 300 000 horas de computación —es decir, el equivalente a tener 300 GPUs procesando durante 1 000 horas, o viceversa— de alto rendimiento para resolver las ecuaciones implicadas, lo que muestra el papel clave de la física computacional. "La disponibilidad inmediata de estos recursos fue esencial para el éxito del proyecto", afirma el doctorando Mathias Driesse, responsable de esta parte del estudio.
Los esfuerzos interdisciplinarios —desde la teoría pura hasta el cálculo práctico— pueden superar desafíos que antes parecían insalvables
En un comentario que acompaña el artículo, el investigador Zhengwen Liu subraya la precisión del modelo como "de referencia". Según Liu, estos resultados impulsarán el desarrollo de modelos aún más exactos, cruciales para interpretar los datos de futuros experimentos como el Telescopio Einstein en Europa o el detector espacial de ondas gravitacionales LISA.
Además de hacer avanzar el campo de la física de ondas gravitacionales, este trabajo abre un puente entre la matemática abstracta y el universo observable. "Este avance demuestra cómo los esfuerzos interdisciplinarios —desde la teoría pura hasta el cálculo práctico— pueden superar desafíos que antes parecían insalvables", concluye Plefka.
Referencia:
Plefka et al. Emergence of Calabi–Yau manifolds in high-precision black-hole scattering. Nature (2025)
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