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La primera detección de ondas gravitacionales en 2016 proporcionó una confirmación decisiva de la teoría general de la relatividad de Einstein. Pero otra predicción asombrosa sigue sin confirmarse: según la relatividad general, cada onda gravitacional debería dejar una huella indeleble en la estructura del espacio-tiempo. Debe tensar permanentemente el espacio, desplazando los espejos de un detector de ondas gravitacionales incluso después de que la onda haya pasado.

Desde esa primera detección hace casi seis años, los físicos han estado tratando de descubrir cómo medir este llamado "efecto memoria".

"El efecto de la memoria es absolutamente un fenómeno extraño, extraño", dijo Paul Lasky,astrofísico de la Universidad de Monash en Australia. "Son cosas realmente profundas".

Sus objetivos son más amplios que simplemente vislumbrar las cicatrices permanentes del espacio-tiempo dejadas por una onda gravitacional pasajera. Al explorar los vínculos entre la materia, la energía y el espacio-tiempo, los físicos esperan llegar a una mejor comprensión de la paradoja de la información del agujero negrode Stephen Hawking, que ha sido un foco importante de investigación teórica durante cinco décadas. "Hay una conexión íntima entre el efecto memoria y la simetría del espacio-tiempo", dijo Kip Thorne,físico del Instituto de Tecnología de California cuyo trabajo sobre ondas gravitacionales le valió parte del Premio Nobel de Física 2017. "Está conectado en última instancia a la pérdida de información en los agujeros negros, un problema muy profundo en la estructura del espacio y el tiempo".

Una cicatriz en el espacio-tiempo

¿Por qué una onda gravitacional cambiaría permanentemente la estructura del espacio-tiempo? Todo se reduce a la íntima vinculación de la relatividad general del espacio-tiempo y la energía.

Primero considere lo que sucede cuando una onda gravitacional pasa por un detector de ondas gravitacionales. El Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) tiene dos brazos posicionados en forma de L. Si imaginas un círculo circunscribiendo los brazos, con el centro del círculo en la intersección de los brazos, una onda gravitacional distorsionará periódicamente el círculo, apretándolo verticalmente, luego horizontalmente, alternando hasta que la onda haya pasado. La diferencia de longitud entre los dos brazos oscilará, un comportamiento que revela la distorsión del círculo y el paso de la onda gravitacional.

De acuerdo con el efecto de memoria, después del paso de la onda, el círculo debe permanecer permanentemente deformado en una pequeña cantidad. La razón tiene que ver con las particularidades de la gravedad descritas por la relatividad general.

Los objetos que LIGO detecta están tan lejos que su atracción gravitacional es insignificantemente débil. Pero una onda gravitacional tiene un alcance más largo que la fuerza de la gravedad. También lo hace la propiedad responsable del efecto memoria: el potencial gravitatorio.

En términos newtonianos simples, un potencial gravitacional mide cuánta energía ganaría un objeto si cayera desde una cierta altura. Deje caer un yunque desde un acantilado, y la velocidad del yunque en la parte inferior se puede utilizar para reconstruir la energía "potencial" que puede impartir caer del acantilado.

Pero en la relatividad general, donde el espacio-tiempo se estira y aplasta en diferentes direcciones dependiendo de los movimientos de los cuerpos, un potencial dicta más que solo la energía potencial en un lugar: dicta la forma del espacio-tiempo.

"La memoria no es más que el cambio en el potencial gravitacional", dijo Thorne, "pero es un potencial gravitacional relativista". La energía de una onda gravitacional que pasa crea un cambio en el potencial gravitatorio; ese cambio en el potencial distorsiona el espacio-tiempo, incluso después de que la onda ha pasado.

¿Cómo, exactamente, una onda pasajera distorsionará el espacio-tiempo? Las posibilidades son literalmente infinitas y, desconcertantemente, estas posibilidades también son equivalentes entre sí. De esta manera, el espacio-tiempo es como un juego infinito de Boggle. El clásico juego de Boggle tiene 16 dados de seis caras dispuestos en una cuadrícula de cuatro por cuatro, con una letra en cada lado de cada dado. Cada vez que un jugador sacude la cuadrícula, los dados retumbran y se acomodan en una nueva disposición de letras. La mayoría de las configuraciones son distinguibles entre sí, pero todas son equivalentes en un sentido más amplio. Todos están en reposo en el estado de energía más bajo en el que los dados podrían estar. Cuando una onda gravitacional pasa a través, sacude el tablero cósmico de Boggle, cambiando el espacio-tiempo de una configuración extraña a otra. Pero el espacio-tiempo permanece en su estado de energía más baja.

Super simetrías

Esa característica, que puedes cambiar el tablero, pero al final las cosas fundamentalmente permanecen igual, sugiere la presencia de simetrías ocultas en la estructura del espacio-tiempo. En la última década, los físicos han hecho explícitamente esta conexión.

La historia comienza en la década de 1960, cuando cuatro físicos querían comprender mejor la relatividad general. Se preguntaron qué sucedería en una región hipotética infinitamente lejos de toda la masa y energía en el universo, donde la atracción de la gravedad puede ser descuidada, pero la radiación gravitacional no puede. Comenzaron observando las simetrías que esta región obedecía.

Ya conocían las simetrías del mundo según la relatividad especial, donde el espacio-tiempo es plano y sin rasgos. En un mundo tan suave, todo se ve igual independientemente de dónde te encuentres, en qué dirección te encuentres y la velocidad a la que te muevas. Estas propiedades corresponden a las simetrías traslacional, rotacional y de impulso, respectivamente. Los físicos esperaban que infinitamente lejos de toda la materia en el universo, en una región conocida como "asintóticamente plana", estas simetrías simples resurgían.

Para su sorpresa, encontraron un conjunto infinito de simetrías además de las esperadas. Las nuevas simetrías de "supertraducción" indicaban que las secciones individuales del espacio-tiempo podrían estirarse, apretarse y esquilarse, y el comportamiento en esta región infinitamente distante seguiría siendo el mismo.

En la década de 1980, Abhay Ashtekar,físico de la Universidad Estatal de Pensilvania, descubrió que el efecto memoria era la manifestación física de estas simetrías. En otras palabras, una supertraducción era exactamente lo que haría que el universo de Boggle eligiera una forma nueva pero equivalente de deformar el espacio-tiempo.

Su trabajo conectó estas simetrías abstractas en una región hipotética del universo con efectos reales. "Para mí, eso es lo emocionante de medir el efecto de la memoria: es solo demostrar que estas simetrías son realmente físicas", dijo Laura Donnay,física de la Universidad Tecnológica de Viena. "Incluso los muy buenos físicos no comprenden del todo que actúan de una manera no trivial y te dan efectos físicos. Y el efecto memoria es uno de ellos".

Sondeando una paradoja

El objetivo del juego de Boggle es buscar la disposición aparentemente aleatoria de las letras en la cuadrícula para encontrar palabras. Cada nueva configuración oculta nuevas palabras y, por lo tanto, nueva información.

Al igual que Boggle, el espacio-tiempo tiene el potencial de almacenar información, lo que podría ser la clave para resolver la infame paradoja de la información del agujero negro. Brevemente, la paradoja es esta: la información no puede ser creada o destruida. Entonces, ¿a dónde va la información sobre las partículas después de que caen en un agujero negro y se vuelven a emitir como radiación de Hawking sin información?

En 2016, Andrew Strominger,físico de la Universidad de Harvard, junto con Stephen Hawking y Malcolm Perry se dieron cuenta de que el horizonte de un agujero negro tiene las mismas simetrías de supertraducción que los del espacio asintóticamente plano. Y por la misma lógica que antes, habría un efecto de memoria acompañante. Esto significaba que las partículas que incidía podían alterar el espacio-tiempo cerca del agujero negro, cambiando así su contenido de información. Esto ofrecía una posible solución a la paradoja de la información. El conocimiento de las propiedades de las partículas no se perdió, sino que se codificó permanentemente en el tejido del espacio-tiempo.

"El hecho de que se pueda decir algo interesante sobre la evaporación de los agujeros negros es bastante bueno", dijo Sabrina Pasterski,física teórica de la Universidad de Princeton. "El punto de partida del marco ya ha tenido resultados interesantes. Y ahora estamos empujando el marco aún más lejos".

Pasterski y otros han lanzado un nuevo programa de investigación que relaciona las declaraciones sobre la gravedad y otras áreas de la física con estas simetrías infinitas. Al perseguir las conexiones, han descubierto nuevos y exóticos efectos de memoria. Pasterski estableció una conexión entre un conjunto diferente de simetrías y un efecto de memoria de espín, donde el espacio-tiempo se vuelve nudoso y retorcido a partir de ondas gravitacionales que transportan el momento angular.

Un fantasma en la máquina

Por desgracia, los científicos de LIGO aún no han visto evidencia del efecto memoria. El cambio en la distancia entre los espejos de LIGO de una onda gravitacional es minúsculo, aproximadamente una milésima parte del ancho de un protón, y se predice que el efecto de memoria será 20 veces menor.

La ubicación de LIGO en nuestro ruidoso planeta empeora las cosas. El ruido sísmico de baja frecuencia imita los cambios a largo plazo del efecto memoria en las posiciones del espejo, por lo que desenredar la señal del ruido es un asunto complicado.

La atracción gravitacional de la Tierra también tiende a restaurar los espejos de LIGO a su posición original, borrando su memoria. Entonces, aunque las torceduras en el espacio-tiempo son permanentes, los cambios en la posición del espejo, que nos permite medir las torceduras, no lo son. Los investigadores tendrán que medir el desplazamiento de los espejos causado por el efecto de la memoria antes de que la gravedad tenga tiempo de tirar de ellos hacia abajo.

Si bien detectar el efecto de memoria causado por una sola onda gravitacional es inviable con la tecnología actual, astrofísicos como Lasky y Patricia Schmidt de la Universidad de Birmingham han ideado soluciones inteligentes. "Lo que se puede hacer es apilar efectivamente la señal de múltiples fusiones", dijo Lasky, "acumulando evidencia de una manera muy rigurosa estadísticamente".

Lasky y Schmidt han predicho de forma independiente que necesitarán más de 1.000 eventos de ondas gravitacionales para acumular suficientes estadísticas para confirmar que han visto el efecto de la memoria. Con las mejoras continuas en LIGO, así como las contribuciones del detector VIRGO en Italia y KAGRA en Japón, Lasky cree que alcanzar las 1.000 detecciones está a pocos años de distancia.

"Es una predicción tan especial", dijo Schmidt. "Es muy emocionante ver si realmente es cierto".

Corrección: 9 de diciembre de
2021 La versión original de este artículo atribuyó el descubrimiento original de la conexión entre las simetrías de supertraducción y el efecto memoria a Andrew Strominger en 2014. De hecho, esa conexión se conocía anteriormente. El descubrimiento de 2014 por Strominger fue entre las simetrías de supertraducción, el efecto memoria y un tercer tema.

Fuente

 

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