Los agujeros negros gemelos ya no engañarán a los astrofísicos: ahora el ordenador tiene una chuleta de IA

Un grupo internacional de astrofísicos ha propuesto una nueva forma de analizar datos sobre ondas gravitacionales. Su investigación, publicada en la revista Physical Review Letters, ayudará a comprender mejor la naturaleza de los agujeros negros y otros objetos cósmicos.

Desde 2015, los científicos registran regularmente vibraciones del espacio-tiempo que se producen cuando colisionan cuerpos cósmicos masivos. Esto ocurre, por ejemplo, cuando dos agujeros negros o estrellas de neutrones giran en espiral, se acercan progresivamente y finalmente se fusionan en uno solo. En el momento de la fusión se libera una enorme cantidad de energía, generando estas ondas en el espacio.

Sin embargo, los astrofísicos se encontraron con un problema inesperado. Para estudiar estos eventos cósmicos, necesitan distinguir los objetos de cada par. Tradicionalmente, se denomina "primero" al objeto más masivo, y su compañero es el "segundo". Pero, ¿qué ocurre si las masas son casi idénticas y la diferencia está dentro del margen de error de las mediciones? En ese caso, no se puede determinar con certeza cuál es el más pesado.

“Los astrofísicos intentaron encontrar otras formas de diferenciar los objetos”, explica Davide Gerosa, director del estudio, de la Universidad de Milán-Bicocca. “Por ejemplo, comparando la velocidad de rotación. Pero surge el mismo problema: si giran de forma similar, ¿cómo decidir cuál considerar el primero?”

De cómo diferenciamos y etiquetamos los cuerpos cósmicos depende la precisión de todos los cálculos y conclusiones posteriores. Si un astrofísico asigna por error las características de uno al otro, podría interpretar erróneamente todo el evento. Por eso es tan importante encontrar un enfoque fiable.

El equipo de Gerosa propuso una solución interesante: dejar que el ordenador decida por sí mismo cómo distinguir mejor los objetos, analizando simultáneamente todas sus características. Para ello, los científicos aplicaron un tipo especial de aprendizaje automático: la agrupación con restricciones. El algoritmo busca patrones en todo el conjunto de datos sobre el par de objetos: masa, velocidad de rotación, trayectoria de movimiento, etc.

El programa trabaja con una condición esencial: los dos objetos de un mismo evento deben necesariamente quedar en grupos distintos. Tiene sentido: por muy parecidos que sean los agujeros negros o las estrellas de neutrones, siguen siendo cuerpos diferentes, simplemente participantes de una misma danza cósmica.

El equipo internacional, que incluye a las estudiantes Viola De Renzis y Federica Tettoni, al investigador postdoctoral Costantino Pacilio, al graduado del MIT Matthew Mould y al profesor de la Universidad de Birmingham Alberto Vecchio, probó el nuevo método con señales reales de ondas gravitacionales registradas por los detectores LIGO, Virgo y KAGRA.

Los resultados sorprendieron incluso a los propios investigadores. El nuevo enfoque permitió medir con un 50 % más de precisión cómo rotan exactamente los agujeros negros. Y en algunos casos, eliminó por completo la incertidumbre que antes existía en la interpretación de los datos.

Especialmente ilustrativo es el caso de la onda gravitacional GW191103_012549. Según el antiguo método de análisis, la probabilidad de que uno de los agujeros negros rotara en sentido contrario al movimiento orbital era del 13 %. El nuevo algoritmo mostró que esa probabilidad es de solo el 0,1 %, lo que indica que casi con certeza ambos agujeros negros rotaban en la misma dirección que su órbita común.

“Normalmente, para aumentar la precisión en tal medida, hay que construir nuevos telescopios y detectores más avanzados”, señala Gerosa. “Nosotros lo conseguimos simplemente enseñando al ordenador a analizar de otra manera los datos que ya teníamos”.

Una vez más, determinar con precisión los parámetros de rotación de los agujeros negros es fundamental para entender cómo se forman. La dirección y velocidad de rotación pueden revelar si un agujero negro se originó a partir de una estrella masiva o surgió tras la fusión de varios objetos. Esta información ayuda a reconstruir la historia del desarrollo de las galaxias y a comprender la evolución del Universo en su conjunto.

El nuevo método ya está listo para ser utilizado no solo en los detectores gravitacionales actuales, sino también en los futuros. Entre ellos se encuentran el observatorio espacial LISA, que se lanzará al espacio, y el Einstein Telescope terrestre. Estos instrumentos serán capaces de captar perturbaciones mucho más débiles.