Entiendo que las ondas gravitatorias pueden ser causadas por masas en aceleración (por ejemplo, las ondas gravitatorias que fueron detectadas por dos agujeros negros muy masivos que se fusionaron a principios de este año) y que están asociadas con la partícula cuántica teórica, el gravitón.
Constantemente escucho a la gente decir que estas ondas gravitacionales son diferentes de la gravedad que mantiene a la tierra en órbita alrededor del sol. ¿Alguien puede explicar las diferencias entre estos dos conceptos?
Además, he tenido desacuerdos con varias personas sobre la idea de que la gravedad solo puede viajar a la velocidad de la luz. Si, a través de algún evento cuántico, apareciera una estrella de neutrones en el borde de nuestro sistema solar, ¿la Tierra comenzaría a acelerar hacia ella antes de que pudiéramos verla?
La respuesta de @ Lemon es exactamente correcta. Solo agregando algunos puntos.
La órbita de la tierra alrededor del sol se debe a la gravedad. Newton explicó la gravedad como una ley de fuerza del cuadrado inverso, y F=ma, y casi todo lo que se puede medir en el sistema solar debido a la gravedad se puede explicar con sus leyes. Einstein se dio cuenta de que era más que eso, que la ley de la gravedad de Newton era una aproximación cuando la gravedad no es demasiado fuerte y los cuerpos van lentos en comparación con c, la velocidad de la luz. Y descubrió que la gravedad se debe a la curvatura del espacio-tiempo.
Las ecuaciones de Einstein nos permiten encontrar la respuesta más exacta, con la tierra en realidad moviéndose en una línea 'recta' en el espacio-tiempo curvo. Resulta que la órbita, llamada geodésica en relatividad general (GR), es la curva más recta posible, la que minimiza una medida de distancia del espacio-tiempo, en el espacio-tiempo curvo formado por la gravedad del Sol. Y en una buena aproximación es lo mismo que predijo Newton. Pero para algunos efectos, predijo números ligeramente diferentes, que fueron todos confirmados.
La ley gravitacional SAME también predice ondas gravitatorias cuando las masas son muy densas y pesadas, y cercanas, y se mueven asimétricamente entre sí. Las ondas gravitatorias emitidas por la tierra al girar alrededor del Sol existen, pero son demasiado débiles para ser detectadas. Necesita estrellas más masivas y densas, como estrellas de neutrones y agujeros negros que giran entre sí. Eso es lo que vimos en las ondas gravitacionales detectadas de los dos agujeros negros que se fusionaron: primero giraron uno alrededor del otro, se acercaron, comenzaron a fusionarse y finalmente se fusionaron en 1. En la onda gravitacional que detectamos, vimos todo eso. Las ondas gravitacionales están muy bien cubiertas en Wikipedia en https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave
Entonces, ¿qué es una onda gravitatoria? Simplemente propaga cambios (@Lemon los llamó ondas, lo mismo) en la curvatura del espacio-tiempo. El espacio-tiempo muestra ondas, ondulaciones, propagándose a través del espacio-tiempo curvo, haciéndolo oscilar a medida que se propaga. Es el mismo campo gravitatorio predicho por las ecuaciones de Einstein, solo predice que cuando las fuentes tienen movimientos asimétricos cercanos entre sí, el efecto mutuo es crear cambios en el campo general, que viaja a través del espacio a lo largo del tiempo.
Entonces, son simplemente efectos gravitatorios diferentes, uno, una órbita semiestática o lenta de un objeto alrededor de otro, es un campo gravitatorio cuasiestático que causa órbitas relativamente estables, el otro, un campo que cambia rápidamente y luego se propaga. Ambos provienen de las mismas ecuaciones y se representan como diferentes tipos de cambios o formas de la curvatura del espacio-tiempo.
Sí, viaja exactamente a la velocidad de la luz. Y lo mismo ocurre con cualquier cambio en un campo gravitacional. Si de repente apareciera un nuevo planeta o el Sol desapareciera de repente no los veríamos, ni habría un cambio en la gravitación que sintiéramos, hasta el tiempo que tardó el efecto en viajar hasta aquí a la velocidad de la luz. (Podría intentar probar que la velocidad de las ondas de gravedad es c, pero le resultaría difícil probar la desaparición del Sol). Usaron una triangulación aproximada de la onda gravitacional asumiendo la velocidad de la luz, para ubicar aproximadamente el trozo de cielo del que provenían (fue muy aproximado, podrán obtener mejores precisiones con líneas de base más largas en los interferómetros y más de ellos ).
Sobre los gravitones, probablemente una teoría cuántica de la gravedad tendrá que incluir gravitones, pero hasta que descubramos esa teoría, no lo sabremos con seguridad. Todo apunta a que probablemente haya gravitones como portadores de las ondas gravitacionales, pero aún no sabemos realmente qué significa eso. La teoría linealizada de las ondas gravitacionales en un espacio-tiempo de fondo dado se parece a una teoría de partículas sin masa de espín 2. Simplemente no hemos podido cuantificar con éxito la teoría completa, o detectar ninguna partícula que actúe como lo haría un gravitón: serían bastante débiles y difíciles de detectar.
Por cierto, una estrella de neutrones no es mucho más masiva que el Sol, tiene casi la misma masa en mucho menos volumen. Si estuviera en el borde del sistema solar, tendría poco o ningún efecto inmediato sobre nosotros, aunque afectaría a los planetas exteriores y, con el tiempo, podría afectar nuestra órbita y la estabilidad del sistema solar. Es una dinámica compleja que tendrías que descifrar.
Las ondas gravitacionales son un tipo de distorsión del espacio-tiempo y no tienen nada que ver con los gravitones (en el sentido de que son una predicción de GR, no de QFT, y es posible que los gravitones ni siquiera existan). La diferencia fundamental entre un campo gravitacional 'estándar' y una onda gravitacional es bastante sutil: esencialmente, la última consiste en ondas que se propagan. Cualquier perturbación gravitatoria, ya sea una onda gravitacional o no, se propagará a la velocidad de la luz.
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