La colisión de galaxias se asemeja a una danza lenta en la que dos compañeros se van acercando gradualmente. En el centro de cada una se esconde un agujero negro supermasivo —un volante invisible con una masa de millones o miles de millones de soles. Tras la fusión de las galaxias, estos agujeros negros comienzan a moverse uno hacia el otro, perdiendo energía por la fricción con las estrellas y el gas. Cuando la distancia entre ellos se vuelve diminuta, la danza termina con una explosión de ondas gravitacionales —ondulaciones en el tejido de la curvatura del espacio-tiempo. Pero cuánto dura este camino, desde los primeros pasos hasta el acorde final, seguía siendo un misterio.
El problema es que las galaxias no son esferas lisas. En ellas suelen encontrarse barras estelares —estructuras alargadas de estrellas que giran como un todo. Una barra así puede interferir en la danza de los agujeros negros: puede empujarlos uno hacia el otro o, por el contrario, lanzarlos a una órbita más lejana. Antes, para calcular este efecto, se necesitaban largas simulaciones por computadora —para cada par por separado. Revisar miles de variantes era imposible.
Los autores del nuevo trabajo idearon un atajo. Entrenaron una red neuronal con un gran conjunto de cálculos simplificados —una especie de simulador donde un agujero negro compañero orbita dentro del remanente de la galaxia fusionada. La red neuronal memorizó cómo la barra y el disco estelar en rotación afectan la órbita, y ahora puede predecir el tiempo de acercamiento casi al instante. El error resultó pequeño y la velocidad aumentó cientos de veces.
Este emulador se aplicó por primera vez a una población completa de galaxias tomada de una simulación cosmológica. Se tuvo en cuenta si la galaxia tiene barra, cuán masiva es y con qué rapidez rota. El resultado mostró que las barras estelares alteran notablemente la distribución de los tiempos de fusión. En promedio, el panorama sigue siendo el mismo, pero aparecen más pares que se acercan o muy rápido o muy lento. Esto es importante para planificar futuras observaciones —por ejemplo, para la antena espacial LISA, que captará ondas gravitacionales de tales fusiones.
Este enfoque —entrenar rápidos sustitutos neuronales de simulaciones complejas— abre el camino para resolver otros problemas astrofísicos. La física es comprensible para cada caso individual, pero revisar millones de variantes antes chocaba con la capacidad de cálculo. Ahora, la danza de los agujeros negros puede calcularse para miles de galaxias sin perder años de espera.
Los agujeros negros supermasivos son tan densos que una cucharadita de su materia pesaría como el monte Everest —si tal materia pudiera extraerse.
En la novela «Contacto» de Carl Sagan, los extraterrestres utilizan ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros para transmitir un mensaje.