¿Por qué decimos que las ondas gravitacionales son análogas al sonido?

Estaba usando la analogía del "sonido" para las ondas gravitacionales exclusivamente en mis charlas populares, aunque también mencioné que, en el nivel fundamental, las ondas gravitatorias son más similares a las ondas electromagnéticas porque se propagan a la velocidad de la luz y ambas son ondas en un campo fundamental.

Sin embargo, la analogía del "sonido" me suena muy superior por estas razones:

• la frecuencia de las ondas gravitacionales en LIGO es en realidad del orden de 100 Hz, por lo que la señal puede convertirse en una señal de sonido perfectamente audible (es el chirrido si la señal del agujero negro es larga, pero los agujeros negros LIGO descubiertos eran lo suficientemente grandes y la señal fue corta, por lo que se parecía más a un latido del corazón)

• Las criaturas que viven en un planeta lo suficientemente cerca de la fuente de las ondas gravitatorias (los dos agujeros negros gravitatorios que se fusionan) realmente escucharían (o escucharían, si hubiera algunos observadores) la señal literalmente en forma de sonido porque las ondas gravitacionales hicieron la presión y el radio planetario oscilan con la misma dependencia del tiempo. Las ondas gravitacionales provocan el estiramiento y contracción de todas las masas, al igual que el sonido, por lo que son una forma de sonido que también se propaga en el vacío.

• para la luz, nuestros dispositivos (telescopios más ojos o detectores) pueden identificar fácilmente la dirección de la que proviene la luz, y siempre podemos proteger regiones específicas o la mayoría de la esfera (celeste) y solo mirar en una dirección. Por otro lado, nuestros oídos escuchan el sonido de todo el espacio y no es fácil "escudarse" contra las fuentes de sonido que provienen de una dirección particular. Siempre escuchamos a los cinco niños gritar a nuestro alrededor, no hay una manera fácil de "concentrarse". La misma propiedad del sonido se aplica también a las ondas gravitatorias. Los detectores LIGO también escuchan el sonido proveniente de todas las direcciones simultáneamente. Amablemente,

• Las ondas gravitatorias son cualitativamente diferentes de las ondas electromagnéticas, y debido a que las ondas electromagnéticas generalmente están vinculadas a los "ojos" (aunque incluyen ondas de muchas frecuencias a las que los ojos no son sensibles), es natural elegir diferentes órganos como símbolos de las ondas gravitatorias, y los oídos son claramente los más adecuados.

El experimento que pretendía detectar ondas de gravedad fue realizado por Weber, quien intentó medirlas observando las perturbaciones generadas en cilindros de aluminio macizo, aparentemente diseñados para vibrar con una frecuencia de$1660 Hz$cuando son perturbados por las ondas de gravedad. Sin embargo, lo que es importante es que los sensores tenían que ser capaces de detectar un cambio en las longitudes de los cilindros en aproximadamente$10^{−16}$ $m$por lo que cualquier Musica universalis no sería muy fuerte.

Además, eche un vistazo aquí , en particular, "El sonido también tiene importancia en la historia de la detección de ondas gravitacionales. En la década de 1970, el físico Robert Forward construyó un interferómetro láser rudimentario, un precursor de LIGO. Informó que la salida del instrumento llegó en el forma de "una señal analógica de banda ancha en la región de audio" que fue "grabada directamente en cinta magnética a través de un canal de una grabadora de cinta estéreo de alta calidad" y "analizado de oído". Si el interferómetro hubiera sido lo suficientemente sensible para detectar ondas gravitacionales, Forward podría haber hecho el descubrimiento histórico al escucharlo. Incluso hoy en día, los ingenieros de LIGO convierten su señal en sonido, no para la detección, sino como un medio para solucionar problemas".

Suponga que tiene un interferómetro Fabry-Perot o Michelson-Morely y está midiendo la diferencia de fase de un camino relativo a otro. Entonces decides gritarle al dispositivo. Luego medirá un cambio ondulante en la diferencia de fase en las dos rutas. Esto es análogo a cómo actúa una onda gravitatoria, y es un modelo de LIGO. Las ondas acústicas y gravitatorias hacen que las masas separadas por cierta distancia exhiban una variación oscilante en esa distancia.

Hay salidas, por supuesto. Las ondas acústicas son longitudinales, mientras que las ondas gravitatorias son transversales. Las ondas acústicas suelen ser lineales, siendo de la forma$p_{xx} - v^{-2}p_{tt} = 0$para$v$la velocidad de la onda y$p$presión. Las ondas gravitacionales son lineales sólo en la aproximación más débil.

Son similares en que involucran el movimiento oscilatorio de masas de prueba en respuesta a ellos. Aunque son diferentes en algunos aspectos formales, en particular, las ondas longitudinales frente a las transversales.