Piccoli errori di modellazione possono accumularsi più velocemente di quanto previsto in precedenza quando i fisici combinano più eventi di onde gravitazionali (come la collisione di buchi neri) per testare la teoria della relatività generale di Albert Einstein, suggeriscono i ricercatori dell'Università di Birmingham nel Regno Unito. Le scoperte, pubblicato il 16 giugno sulla rivista iScience , suggeriscono che i cataloghi con un minimo di 10-30 eventi con un rapporto segnale-rumore di fondo di 20 (tipico per gli eventi utilizzati in questo tipo di test) potrebbero fornire deviazioni fuorvianti dalla relatività generale, indicando erroneamente una nuova fisica dove non esiste. Poiché questo è vicino alla dimensione degli attuali cataloghi utilizzati per valutare la teoria di Einstein, gli autori concludono che i fisici dovrebbero procedere con cautela durante l'esecuzione di tali esperimenti.

"Testare la relatività generale con cataloghi di eventi di onde gravitazionali è un'area di ricerca molto nuova, " dice Christopher J. Moore, un docente presso la School of Physics and Astronomy &Institute for Gravitational Wave Astronomy presso l'Università di Birmingham nel Regno Unito e l'autore principale dello studio. "Questo è uno dei primi studi a esaminare in dettaglio l'importanza degli errori dei modelli teorici in questo nuovo tipo di test. Sebbene sia ben noto che gli errori nei modelli teorici devono essere trattati con attenzione quando si tenta di testare una teoria, siamo rimasti sorpresi dalla rapidità con cui possono accumularsi piccoli errori di modello quando inizi a combinare gli eventi nei cataloghi."

Nel 1916, Einstein pubblicò la sua teoria della relatività generale, il che spiega come enormi oggetti celesti deformano il tessuto interconnesso di spazio e tempo, conseguente gravità. La teoria prevede che incidenti violenti nello spazio esterno, come le collisioni di buchi neri, distruggano lo spazio-tempo in modo così grave da produrre increspature chiamate onde gravitazionali, che sfrecciano nello spazio alla velocità della luce. Strumenti come LIGO e Virgo hanno ora rilevato segnali di onde gravitazionali da dozzine di buchi neri in fusione, che i ricercatori hanno utilizzato per mettere alla prova la teoria di Einstein. Finora, è sempre passato. Per spingere ulteriormente la teoria, i fisici lo stanno ora testando su cataloghi di più eventi di onde gravitazionali raggruppati.

"Quando mi sono interessato alla ricerca sulle onde gravitazionali, una delle principali attrattive era la possibilità di fare nuovi e più severi test di relatività generale, "dice Riccardo Buscicchio, un dottorato di ricerca studente presso la School of Physics and Astronomy &Institute for Gravitational Wave Astronomy e coautore dello studio. "La teoria è fantastica e ha già superato una serie impressionante di altri test. Ma sappiamo da altre aree della fisica che non può essere completamente corretta. Cercare di trovare esattamente dove fallisce è una delle domande più importanti in fisica ."

Però, mentre cataloghi di onde gravitazionali più grandi potrebbero avvicinare gli scienziati alla risposta nel prossimo futuro, amplificano anche il rischio di errori. Poiché i modelli di forma d'onda comportano inevitabilmente alcune approssimazioni, semplificazioni, ed errori di modellazione, modelli con un alto grado di accuratezza per i singoli eventi potrebbero rivelarsi fuorvianti se applicati a grandi cataloghi.

Per determinare come crescono gli errori della forma d'onda all'aumentare delle dimensioni del catalogo, Moore e colleghi hanno utilizzato semplificato, cataloghi simulati linearizzati per eseguire un gran numero di calcoli di prova, che ha comportato il disegno di rapporti segnale-rumore, mancata corrispondenza, e modellare gli angoli di allineamento dell'errore per ogni evento di onde gravitazionali. I ricercatori hanno scoperto che la velocità con cui si accumulano gli errori di modellazione dipende dal fatto che gli errori di modellazione tendano o meno a fare la media tra molti eventi di catalogo diversi, se le deviazioni hanno lo stesso valore per ogni evento, e la distribuzione degli errori di modellazione della forma d'onda tra gli eventi.

"Il prossimo passo sarà per noi trovare modi per indirizzare questi casi specifici utilizzando modelli più realistici ma anche più costosi dal punto di vista computazionale, " dice Moore. "Se mai dovessimo avere fiducia nei risultati di tali test, dobbiamo prima avere una buona comprensione possibile degli errori nei nostri modelli."