Estudio resuelve puzzles en el colapso gravitacional de las ondas gravitacionales.

15 de noviembre de 2023 característica

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Los agujeros negros son regiones en el espacio donde la fuerza gravitatoria es tan fuerte que nada puede escapar de ellos, ni siquiera la luz. Estas fascinantes regiones han sido el enfoque de innumerables estudios, pero todavía no se comprende completamente la física que subyace a su formación.

Los agujeros negros se forman en lo que se conoce como colapso gravitacional. Esto es básicamente la contracción de un objeto cosmológico, provocada por su propia gravedad que atrae la materia hacia adentro (es decir, hacia el centro de gravedad del objeto).

Si tal objeto colapsante forma o no un agujero negro depende de las propiedades específicas del objeto. En algunos casos, un objeto puede estar muy cerca del umbral, teniendo dificultades para decidir si formar o no un agujero negro. Este tipo de colapso resulta en fenómenos denominados críticos.

Los físicos han estado tratando de entender los fenómenos críticos en el colapso gravitacional durante décadas, ya que algunas de sus propiedades son compartidas por otros sistemas físicos bien conocidos. Un reciente artículo publicado en Physical Review Letters por una colaboración de investigación internacional con sede en Bowdoin College en Estados Unidos y otros institutos en Alemania, Praga, Reino Unido y Portugal, encontró acuerdo entre tres simulaciones numéricas independientes de estos fenómenos y resolvió algunos enigmas de larga data en esta área de estudio.

"Los fenómenos críticos en el colapso gravitacional, cercanos al inicio de la formación de agujeros negros, fueron reportados por primera vez por Matt Choptuik hace unos 30 años", dijo Thomas W. Baumgarte, coautor del artículo, a Phys.org.

"En parte porque estos efectos comparten muchas propiedades con los fenómenos críticos en otros campos de la física (por ejemplo, transiciones de fase en la física estadística) y en parte porque abordan cuestiones fundamentales relacionadas con las propiedades de la relatividad general, captaron inmediatamente la atención de muchos investigadores de diferentes campos de la física."

Dos de las propiedades más fascinantes del colapso gravitacional crítico son la universalidad y la autosimilitud. En este contexto, el término "universalidad" se refiere a la idea de que sin importar cómo comienza un cálculo, a medida que se acerca el inicio de la formación de un agujero negro, la solución siempre será la misma. La autosimilitud, por otro lado, significa que esta solución universal repetirá los mismos patrones a medida que se reduce la escala física.

"Si bien los cálculos de Choptuik involucraban un denominado campo escalar como fuente de materia, Andrew Abrahams y Chuck Evans reportaron poco después efectos similares para el colapso gravitacional de ondas gravitacionales (es decir, para la gravedad pura en ausencia de cualquier materia)", explicó Baumgarte.

"Otra diferencia es que Choptuik pudo suponer simetría esférica, mientras que las ondas gravitacionales no pueden existir en simetría esférica, por lo que Abrahams y Evans tuvieron que relajar la suposición de simetría esférica. Desafortunadamente, ha sido muy difícil reproducir estos últimos resultados, ya que algunos códigos numéricos fallaron por completo en este caso o dieron resultados que parecían contradecir los de Abrahams y Evans."

Después de los resultados aparentemente contradictorios obtenidos en la década de 1990, la naturaleza del colapso crítico de la "gravedad pura" se mantuvo como un misterio sin resolver durante casi tres décadas. Sin embargo, recientemente, tres grupos de investigación diferentes llevaron a cabo simulaciones numéricas independientes de este colapso, utilizando códigos desarrollados de manera independiente.

"Todos estos tres códigos resuelven las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, pero utilizan estrategias numéricas completamente diferentes (por ejemplo, métodos espectrales versus métodos de diferencias finitas)", dijo Baumgarte. "Coordenadas cartesianas versus coordenadas polares esféricas, diferentes condiciones de calibración, etc. Todos los tres códigos también hacen diferentes elecciones para la llamada 'condición de división temporal' (es decir, adoptan diferentes opciones para la velocidad a la que el tiempo avanza en los códigos)."

El objetivo clave del estudio reciente de Baumgarte y sus colegas fue examinar colectivamente las tres simulaciones numéricas que se realizaron recientemente por estos tres equipos de investigación diferentes. Por lo tanto, su artículo fue un esfuerzo conjunto de los equipos, con el objetivo de unir sus esfuerzos de investigación independientes para arrojar nueva luz sobre la naturaleza del colapso gravitacional.

'As a first finding we report that, despite all the numerical differences, our codes produce completely consistent results for the critical collapse of gravitational waves,' Baumgarte said. ' This gives us confidence that these findings are correct, and not numerical artifacts. Making a suitable choice for the slicing condition turns out to be crucial: a very common other choice, one that has been successful for many other numerical relativity simulations, fails for this case, which explains why some previous attempts to solve this problem failed.'

Notably, in their three independent numerical simulations, the researchers found no evidence supporting the property of universality. In other words, they found that starting the numerical with different initial data resulted in different values while approaching the formation of a black hole.

'Our findings explain another piece of the puzzle,' Baumgarte said. 'Some previous studies had reported differences from the results of Abrahams and Evans, which therefore appeared conflicting, However, those studies also used different initial data. A disagreement between the results therefore constitutes a contradiction only under the assumption of universality—for which we do not see any evidence.'

While the researchers found no evidence of universality, they found approximate evidence of self-similarity. Interestingly, however, unlike that observed in the case of critical collapse in spherical symmetry, the self-similarity they observed did not appear to be exact.

Back in the 1990s, Abrahams and Evans had also reported a non-exact self-similarity. These recent results are thus aligned with previous findings, potentially suggesting that reported departures from an exact self-similarity could be linked to the absence of a spherical symmetry.

The recent work by Baumgarte and his colleagues could soon pave the way for new numerical and theoretical studies aimed at further studying and re-framing the critical collapse of gravitational waves. This could bring physicists closer to unveiling the nature and mysteries of this intriguing physical phenomenon, known to precede the formation of black holes.

'While we believe that our work has resolved several open questions in the context of critical collapse of gravitational waves, several follow-up questions remain,' Baumgarte added. 'For example, we found approximately self-similar solutions for some families of initial data, but not for others, and the nature of the 'threshold solution' for those other families remains unclear.

'It would also be desirable to perform simulations with better fine-tuning to the onset of black-hole formation (e.g., using numerical codes with better resolution and/or other improvements) to explore whether a universal critical solution emerges for fine-tuning that is better than anybody has achieved so far.

'Finally, we plan to investigate what causes the departures from an exact self-similarity and determine if these departures are directly related to the absence of spherical symmetry.'

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