Físicos observaron cómo una onda gravitacional nace en el borde del pasado y desaparece en el borde del futuro

Físicos de las universidades de Otago y Canterbury (Nueva Zelanda) realizaron la primera simulación de su tipo, en la que una onda gravitacional es seguida a lo largo de toda su trayectoria: desde su aparición en un punto extremadamente lejano del pasado hasta su salida por el límite del futuro, incluyendo su paso a través de la geometría curvada de un agujero negro. La investigación fue publicada en Physical Review Letters.

Hasta ahora, ningún modelo numérico había logrado abarcar toda la dinámica de tales procesos. Los cálculos, por lo general, se limitaban a regiones locales y no tomaban en cuenta los bordes tipo luz del espacio-tiempo —la llamada “infinidad nula”, de donde provienen las ondas y hacia donde finalmente se dirigen. Sin considerar estos límites, no es posible determinar con precisión cómo se distribuye la energía: cuánta se conserva y qué parte se pierde irremediablemente dentro del objeto gravitacional.

Para resolver este problema, el equipo aplicó un enfoque matemático avanzado: las ecuaciones de campo conformes generalizadas de Friedrich. Estas permiten trasladar regiones infinitamente alejadas a una malla computacional finita, conservando el sentido físico de los fenómenos. A partir de esta formalización, se desarrolló una herramienta computacional propia: COFFEE — COnFormal Field Equation Evolver.

Con su ayuda, los investigadores simularon la colisión de ondas gravitacionales de diversas intensidades con un agujero negro idealizado de Schwarzschild. Este modelo se caracteriza por su simetría estricta y sirve como referencia para pruebas analíticas y numéricas. Por primera vez, se logró obtener un cuadro completo de la interacción: desde la entrada de la señal al sistema hasta su salida hacia el futuro lejano.

Las estimaciones mostraron que el espacio cercano al agujero negro posee una capacidad de absorción pronunciada. En el caso de perturbaciones débiles, casi el 90% de la energía no regresa —queda dentro del horizonte de sucesos. Incluso con perturbaciones intensas, solo alrededor de una quinta parte continúa su propagación hacia afuera.

Para registrar con precisión los valores se utilizaron dos parámetros clave de la teoría general de la relatividad: la energía de Bondi y las noticias de Bondi. El primero caracteriza la energía total que se propaga a lo largo del frente luminoso; el segundo, el hecho mismo de la existencia de radiación. Estos parámetros permiten evaluar sin ambigüedades el equilibrio entre la onda entrante y saliente, así como verificar rigurosamente el cumplimiento de la ley de conservación de la energía en un espacio curvo.

En el marco del experimento también se observaron fenómenos no lineales: la señal inicial generaba modos adicionales debido al efecto de retroacción sobre la geometría. Esto confirma que incluso ondas simples pueden producir estructuras complejas al atravesar una región con fuerte curvatura.

Un efecto característico fue la detección de oscilaciones cuasinormales —vibraciones estables y atenuadas que surgen tras la interacción de la onda con el agujero negro. Estas oscilaciones están determinadas únicamente por los parámetros del agujero y no dependen de la forma de la perturbación externa.

Los resultados obtenidos pueden ser utilizados para descifrar los datos que llegan desde detectores como LIGO y Virgo, los cuales hasta ahora solo registraban el hecho del evento gravitacional, pero no permitían reconstruir la estructura precisa del paso de la onda. La nueva metodología proporciona una base para analizar cómo una señal específica refleja las propiedades de su fuente y su entorno.

Los autores señalan que, en la versión actual, la onda inicial no se establece en el borde mismo de la infinitud, sino en su vecindad, lo que introduce un pequeño margen de error. En el futuro, el equipo planea continuar con la investigación en configuraciones más complejas, incluyendo agujeros negros en rotación y campos no simétricos.