La Medalla Dirac del ICTP, uno de los principales y más prestigiosos premios en Física Teórica ha sido concedido este año a Alessandra Buonanno, Thibault Damour, Frans Pretorius y Saul Teukolsky, “cuyo trabajo teórico sustenta la detección de ondas gravitacionales en 2015, generadas por agujeros negros”.

En 1915, Einstein publicó un artículo que cambió nuestra concepción de la gravitación y del Universo. Desde Newton, la gravitación se había entendido como una fuerza que atrae a los cuerpos masivos. Einstein modificó este concepto, construyendo una teoría que unifica el espacio y el tiempo en el espacio-tiempo, que es deformable y dependiente del observador que los mide. En su sorprendente visión, el espacio no es inmutable ni el tiempo es absoluto; incluso el espacio-tiempo puede romperse y formar singularidades. Unos meses después, Einstein publicó un nuevo trabajo en el que predecía que esta deformación del espacio-tiempo puede propagarse como una onda. Nacieron así las ondas gravitacionales.

Muy pronto, los físicos se dieron cuenta de que estas deformaciones eran extremadamente pequeñas y, por tanto, imposibles de observar. Tenían que buscar fenómenos cataclísmicos que pudieran generar ondas gravitacionales suficientemente fuertes para ser detectadas por nuestros instrumentos. Los candidatos eran claros: la fusión de dos agujeros negros. Pero a pesar de la potencia impresionante de estas fusiones, las ondas producidas seguían siendo demasiado débiles. Pero las ondas gravitacionales podrían ser más fáciles de encontrar si se conociera su forma, su frecuencia – siempre es más fácil buscar lo que conocemos. Así nació un nuevo campo de investigación: la relatividad numérica, es decir, las simulaciones numéricas de las fusiones de agujeros negros.

En 1964, Susan Hahn y Richard Lindquist publicaron la primera simulación de la colisión frontal de dos agujeros negros y concluyeron que “la solución numérica de las ecuaciones de Einstein no presenta dificultades insuperables”. Fue una conclusión muy positiva, pero desafortunadamente equivocada. Se han necesitado 39 años más para tener una simulación completa de la fusión de dos agujeros negros. Este camino fue muy largo, no por la falta de potencia de los computadores, sino por la estructura de las ecuaciones de la relatividad general.

Esta dificultad fue analizada y descrita por uno de los investigadores más importantes de esta disciplina, Saul Teukolsky. Él creó y aún dirige el SXS, que significa Simulating eXtreme Spacetimes, el centro más importante de simulaciones de agujeros negros. Dentro de estas instalaciones, Frans Pretorius, un investigador postdoctoral en ese tiempo, realizó la primera simulación completa de la fusión de dos agujeros negros en 2005. Conocer la forma de las ondas gravitacionales abrió una nueva puerta en la metodología de su búsqueda tal que, 10 años después, en el año 2015, fueron finalmente observadas.

Paralelamente a este trabajo numérico, se realizó un trabajo analítico. Cuando dos agujeros negros están todavía muy lejos uno del otro y la interacción entre ellos débil, podemos resolver las ecuaciones de una forma simplificada, conocida como “perturbativa”. Esto fue posible gracias a técnicas muy avanzadas desarrolladas por Thibault Damour y luego continuadas y profundizadas con la investigadora postdoctoral Alessandra Buonanno. Esta aproximación es válida hasta que los agujeros están muy cerca. Una consecuencia de este método es que nos permite disponer de condiciones iniciales, que son utilizadas en las simulaciones numéricas. 

Esta sinergia impresionante entre el trabajo numérico y el analítico nos permite hacer predicciones sobre el choque de dos agujeros negros y buscar esta señal en los detectores de ondas gravitacionales de manera muy precisa. Cabe destacar la importancia de los investigadores posdoctorales en esta investigación.

Fue un camino largo pero exitoso, que resultó en el descubrimiento de las ondas gravitacionales. ¡Felicitaciones a Alessandra Buonanno, Thibault Damour, Frans Pretorius y Saul Teukolsky!