¿Cómo una colisión de estrellas de neutrones convierte la masa en ondas gravitacionales?

Escuché en la hora de TED Radio que en la colisión de estrellas de neutrones que LIGO detectó recientemente, parte de la masa de las estrellas de neutrones se convirtió en energía en forma de ondas gravitacionales. ¿Cómo funciona?

Dado que no está preguntando sobre los agujeros negros, la pregunta es: ¿cómo pierden masa las estrellas mientras conservan el número de bariones (y leptones)?
¿Qué nivel de física y matemáticas quieres que se utilice en una explicación? Esta es una pregunta muy amplia, ya que incluye muchos elementos diferentes: por qué existen las ondas gravitacionales, por qué las estrellas de neutrones en colisión las producen y por qué emitirlas convierte la masa en energía. Escribir una respuesta larga a las tres no es necesariamente un buen uso del tiempo de las personas si no va a estar al nivel que usted necesita.

Respuestas (2)

Esto no es demasiado difícil de entender. De hecho, aplicar incluso la intuición newtoniana dará una respuesta que es una aproximación (cualitativa) razonable de la realidad relativista (siempre complicada).

En pocas palabras, esto se puede ver como dos procesos:

  1. La atracción gravitatoria mutua acelera los dos objetos. En términos newtonianos, las fuerzas gravitatorias funcionan a medida que la inspiración se contrae (convirtiendo la energía gravitatoria potencial en energía cinética).

  2. A medida que las dos estrellas de neutrones reflexionan sobre el campo gravitatorio de cada una, se crean ondas gravitacionales. (Este bit claramente es relativista y no tiene una contraparte newtoniana propiamente dicha, pero si lo desea, puede pensar en cómo las cargas eléctricas en movimiento generan ondas electromagnéticas). Este proceso toma la energía cinética de las estrellas de neutrones en movimiento y la convierte en radiación gravitatoria.

Esto resume bastante bien lo que está pasando. Por supuesto, esto es un poco una simplificación. En relatividad general, cosas como la energía cinética y potencial no tienen definiciones locales agradables, lo que hace que la descripción sea mucho más difícil.

Tenga en cuenta que, a diferencia de las sugerencias hechas en los comentarios, el número bariónico de las estrellas de neutrones no cambia durante la inspiración. En particular, la energía emitida en las ondas gravitatorias no proviene de convertir masa en reposo, sino de aumentar la energía de enlace del sistema.

Me doy cuenta de que los dos puntos anteriores no responden completamente a la pregunta: "¿Cómo una colisión de estrellas de neutrones convierte la masa en ondas gravitacionales?". El ingrediente que falta es que la masa gravitatoria del sistema como un todo está dada por

(masa total en reposo) − (energía de unión) C 2 ,

por lo tanto, aumentar la energía de enlace significa reducir la masa gravitatoria.

Sí, esta es la parte que tiene sentido para mí, convertir la energía en ondas de gravedad. Hicieron que pareciera que algunos de los neutrones se estaban transformando en radiación gravitacional. Eso sería extraño... Así que parece que la elección de las palabras que usaron en TED Radio Hour fue algo engañosa...

La respuesta corta es que nadie lo sabe. Cuando dices que la masa se convierte en energía en forma de ondas gravitacionales, estás hablando de que la masa en forma de nucleones (neutrones) se convierte de alguna manera en cuantos de ondas gravitacionales (gravitones). Visto desde esta perspectiva, la pregunta se convierte aproximadamente en "¿cuál es la naturaleza cuántica de la gravedad?", y esa es una pregunta abierta. La razón es que para nosotros entender la conversión de neutrones en gravitones presupone, en algún sentido efectivo, un acoplamiento entre los dos campos, en específico un operador en el lagrangiano que genera un vértice que contiene el modelo estándar de fermiones y algún campo gravitatorio cuántico ( normalmente se piensa que es un campo de spin-2 sin masa). Pero en realidad, tal teoría está lejos de desarrollarse por completo.

En principio, el sistema puede perder masa sin cambiar el recuento de nucleones (o cualquier otro recuento de partículas). Porque la masa de un sistema no se encuentra sumando la masa de las partes. Esto ocurre regularmente con los núcleos, ¿verdad?
Obviamente, la conversión de energía gravitacional potencial a ondas gravitacionales puede llamarse conversión de "energía-masa", pero eso es solo un juego de palabras. Supongo que OP quería saber si la masa en reposo se estaba convirtiendo o no en energía gravitatoria.
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