¿Por qué es tan importante la detección de ondas gravitacionales?

Las ondas gravitacionales son cualitativamente diferentes de otras detecciones.

Por mucho que hayamos probado GR antes, todavía es tranquilizador encontrar una prueba completamente diferente que funciona igual de bien. Las pruebas más notables hasta ahora han sido el cambio de la órbita de Mercurio, la desviación correcta de la luz por parte de objetos masivos y el desplazamiento hacia el rojo de la luz que se mueve contra la gravedad. En estos casos, el espacio-tiempo se toma como estático (invariable en el tiempo, sin términos cruzados de espacio-tiempo en la métrica). Las ondas gravitacionales, por otro lado, involucran un espacio-tiempo variable en el tiempo.

Las ondas gravitacionales proporcionan una prueba de gravedad de campo fuerte.

Hasta ahora, todas las pruebas se han realizado en situaciones débiles, en las que hay que medir las cosas muy de cerca para ver la diferencia entre GR y la gravedad newtoniana. Si bien las ondas gravitacionales en sí mismas son una predicción de la gravedad linealizada y son la esencia misma de las pequeñas perturbaciones, sus fuentes serán entornos muy extremos: la fusión de agujeros negros, la explosión de estrellas, etc. Ahora muchas cosas pueden salir mal entre nuestros modelos. de estos fenómenos extremos y nuestro registro de una señal de onda gravitacional, pero si la señal concuerda con nuestras predicciones, eso es una señal de que no solo tenemos razón sobre las ondas en sí, sino también sobre las fuentes.

Las ondas gravitacionales son una nueva frontera en la astrofísica.

Este punto a menudo se olvida cuando nos distraemos tanto con solo encontrar cualquier señal. Encontrar las primeras ondas gravitacionales es solo el comienzo de las observaciones astronómicas.

Con solo dos detectores, LIGO , por ejemplo, no puede identificar fuentes en el cielo mejor que "en algún lugar, más o menos". Eventualmente, a medida que más detectores se conecten, la esperanza es poder localizar mejor las señales, para que podamos observar simultáneamente las contrapartes electromagnéticas. Es decir, si el evento que causa las ondas es la fusión de dos estrellas de neutrones, uno podría esperar que también se libere mucha luz. Al combinar ambos tipos de información, podemos obtener bastante más conocimiento sobre el sistema.

Las ondas gravitacionales también son buenas para probar la física en las regiones más internas y más oscurecidas en eventos cataclísmicos. Para la mayoría de las explosiones en el espacio, todo lo que vemos ahora es el resplandor posterior, la capa de material radiactivo caliente que queda atrás, y solo podemos inferir indirectamente qué procesos estaban sucediendo en el núcleo. Las ondas gravitacionales proporcionan una nueva forma de obtener información a este respecto.

La respuesta de Chris proporciona una excelente explicación de por qué las ondas gravitacionales son útiles para detectar en general. Aquí está mi opinión (como alguien que trabaja en la teoría de los agujeros negros) sobre lo que es particularmente interesante sobre la señal que se anunció ayer. Muchos de mis pensamientos están tomados de la conferencia de prensa oficial de la NSF y de coloquios en mi institución.

El evento en sí

El análisis numérico del evento de ondas gravitacionales que se midió el 14 de septiembre de 2015 ha revelado mucho sobre la naturaleza del evento que tuvo lugar.

La siguiente es una figura del informe LIGO que muestra la señal de onda gravitacional:

( fuente )

La línea roja en cada gráfico es la señal de onda gravitacional medida desde el observatorio en Hanford, Washington. La línea azul es la señal de onda gravitatoria medida desde el observatorio de Livingston, Luisiana. El gráfico de arriba a la izquierda muestra solo la señal de Hanford, el gráfico de arriba a la derecha muestra la señal de Livingston superpuesta con la señal de Hanford (mira lo bien que coinciden, lo que demuestra que no se trataba de una fuente local de ruido, sino más bien de una señal generada a partir de alguna señal cósmica). distancia).

El gráfico de la izquierda en la segunda fila es el más interesante. La línea gris claro esencialmente muestra la señal, sin el mayor ruido posible (el equipo es tan sensible que todo tipo de cosas pueden causar ligeras fluctuaciones en la forma de onda). La línea roja representa la forma de onda que sería predicha por las técnicas de la relatividad general numérica para un sistema de dos agujeros negros en espiral uno dentro del otro. No es coincidencia que la forma de onda observada (gris claro) y la forma de onda predicha (roja) se superpongan tan bien.

Hay, por supuesto, una gran cantidad de análisis que se dedican a verificar la importancia estadística de estos datos. Los científicos de LIGO han descubierto que, dentro de un margen estadísticamente significativo, esta forma de onda probablemente fue producida por un sistema binario de dos agujeros negros, cada uno de ellos unas treinta veces más grande que el tamaño del sol.

Ahora, para los detalles sobre lo interesante de este evento.

Agujeros negros en general

Antes de ayer, no teníamos evidencia directa que demostrara que existían agujeros negros. Teníamos bastante confianza en la existencia de agujeros negros, pero solo a través de mediciones indirectas. Esta es la primera medición directa de un agujero negro: los objetos en cuestión son lo suficientemente masivos y compactos como para que casi con seguridad sean agujeros negros. Además, los datos se ajustan perfectamente a nuestras predicciones relativistas generales sobre qué tipo de radiación liberará la fusión de un agujero negro. Esta es una gran noticia: los físicos nunca tuvieron evidencia completa de que existieran agujeros negros antes de ayer, aunque el público podría darlo por sentado. Los agujeros negros existen y funcionan como pensábamos que lo hacían. ¡Eso es increíble!

Tipos de agujeros negros

Desde una perspectiva astrofísica, esto es bastante interesante, porque los dos agujeros negros inspiradores eran unas 30 veces más masivos que el sol (en lo sucesivo denominados "30 masas solares"). Los astrofísicos no tenían pruebas convincentes reales de agujeros negros en este rango de masas. Se suponía que teníamos agujeros negros en el rango de 3 a 20 masas solares, y los llamados agujeros negros "supermasivos" (¿que son millones, miles de millones de masas solares? No soy astrofísico, así que no puedo decirte). Este es un problema astrofísico fascinante: la masa en un agujero negro debe provenir de alguna parte. ¿Cuál es el proceso por el cual se forma un agujero negro de ~30 masas solares? ¿De dónde toma su materia? ¿Qué tan masivo es cuando se forma por primera vez (¿a partir de una estrella, tal vez?),

Ah, y por cierto, no acabamos de confirmar la existencia de dos agujeros negros de masa solar ~30. Hemos confirmado la existencia de un agujero negro de 62 masas solares, el agujero negro que queda después de que los dos se hayan fusionado. Hablando de eso, hablemos un poco sobre ese agujero negro final.

Radiación

La masa colectiva de los dos agujeros negros antes de fusionarse era de ~65 masas solares. La masa del agujero negro final fue de ~62 masas solares.

Lo que eso significa es que 3 masas solares fueron radiadas en ondas gravitacionales cuando los agujeros negros se fusionaron. ¿No me impresionó? Bueno, aquí hay algo de perspectiva: según la conferencia NSF dada ayer, la producción de energía de la radiación gravitatoria durante los últimos momentos de la fusión del agujero negro fue mayor que la producción de energía colectiva de todas las estrellas del universo combinadas.

Eso es mucha energía, muy rápido. ¿Qué sucede una vez que se libera esa energía? Bien...

Ring-Down

Este es mi favorito personal, pero también es lo que menos información tenemos. Si vuelves a mirar la figura que incluí anteriormente en esta respuesta, por ejemplo, en el segundo gráfico de la columna de la izquierda, notarás que el patrón es el siguiente:

Ligeras vibraciones, aumentando en amplitud en frecuencia, oscilando repentinamente muy rápidamente a una amplitud alta, y luego desapareciendo hasta casi nada.

Ese aumento repentino en la frecuencia se llama "chirrido" y es lo que LIGO estaba buscando. Ese chirrido nos dice todo lo que necesitamos saber sobre la fusión del agujero negro.

Pero, ¿qué pasa después? El decaimiento exponencial de la señal corresponde al agujero negro resultante (con 62 masas solares) estableciéndose en un estado estable. La cuestión de la estabilidad de los agujeros negros es increíblemente interesante, y el proceso por el cual un agujero negro se asienta después de una perturbación importante (p. ej., fusionarse con otro agujero negro) es un objeto de estudio fascinante.

Básicamente, si golpeas un agujero negro, suena. Cuando perturbas un agujero negro para alejarlo de su estado estable, creas algo llamado modos cuasinormales (descripciones matemáticas de la perturbación del equilibrio) que decaen exponencialmente con el tiempo a medida que el agujero negro se acerca al equilibrio.

La señal experimental no contiene mucha información sobre el ring-down. No podemos obtener mucha información sobre cómo exactamente el agujero negro se asienta en un estado estable: el proceso no genera ondas gravitacionales muy fuertes, por un lado, y ocurre muy rápidamente.

Pero eso está bien. En la figura, podemos ver que sucede. Vemos dos agujeros negros fusionarse, liberar tres masas solares de radiación y luego establecerse en un estado final estable. Eso solo es increíblemente emocionante.

Oh, por cierto, un pensamiento de despedida: esta fusión de agujeros negros ocurrió hace unos mil millones de años. Sólo estamos recibiendo su señal ahora.

Además de lo que enumera Chris White, me gustaría señalar el hecho de que, a excepción de algunos meteoritos y algo de polvo acumulado en las placas de los satélites y rocas de Marte (y rayos cósmicos y un puñado de neutrinos; gracias Ruslan y Kyle Oman), hasta ahora toda la información que nos llega del Universo —ya sea del Sol, de los planetas más distantes, de otras estrellas, galaxias, CMB, etc.— nos ha llegado en forma de radiación electromagnética.

Las ondas gravitacionales son un modo completamente nuevo de obtener conocimiento sobre el Universo. Tanto de objetos en los que también vemos radiación, pero también, por ejemplo, quizás en algún punto de la inflación en el Big Bang, donde usando radiación electromagnética no podemos ver más atrás que el CMB, 380,000 años después del Big Bang (esto es lo que los chicos de BICEP2 creyeron ver hace dos años, pero resultó ser polvo…).

Agregando brevemente a la respuesta de Chris.

Las ondas gravitacionales no se oscurecen por nada. Si se hace que los detectores funcionen a frecuencias más bajas (en el espacio), entonces pueden "ver" ondas gravitacionales que se originan más allá del fondo cósmico de microondas hasta la época inflacionaria.

Otra cosa que ha quedado clara hoy en día es que las fusiones binarias dan un chirrido que produce las masas de los componentes fusionados, pero también da estimaciones precisas e independientes de la distancia. Estos eventos son el equivalente de velas estándar para ondas EM - "sirenas estándar".

Las ondas gravitacionales son un componente importante de fenómenos como las fusiones de agujeros negros.

Se cree que el evento de onda gravitacional GW150914 es una fusión de dos agujeros negros con masas estimadas de 36+5/-4 y 29±4 masas solares. La masa final fue de 62±4 masas solares. Si nuestros modelos actuales son correctos, las 3,0 ± 0,5 masas solares que faltan ( 5,3 % ) se irradiaron como ondas gravitacionales, y eso en solo 0,2 segundos.

Si no pudiéramos detectar ondas gravitacionales, entonces ese 5% sería una brecha importante en nuestros modelos. Ahora, en este caso, solo sabemos que el evento ocurrió porque detectamos las ondas, pero suponiendo que hubiéramos observado algún evento similar en el espectro electromagnético, si no pudiéramos detectar también las ondas gravitacionales, entonces sería una gran falla en nuestras observaciones de el evento.

Con las Ondas Gravitacionales (GW) uno puede "saber" que el Objeto está allí - detectarlo sin "verlo"- visualmente, solo porque el objeto tiene una masa.

Cualquier cosa que se mueva y tenga una masa está emitiendo GW: los detectores de corriente son sensibles solo para objetos con masas iguales a la masa de muchos soles.$2\times 10^{30} ~\rm{kg}$(2 con 30 ceros).

Imagina que algún día tengamos sensores-detectores capaces de detectar el movimiento de cualquier objeto con masa sin verlo....

Una implicación interesante es que las ondas gravitacionales se consideran más evidencia de la teoría de la inflación, que se utiliza para ayudar a explicar la homogeneidad del universo. Si la Teoría de la inflación es correcta y el espacio-tiempo experimentó una expansión exponencialmente explosiva, esa expansión no tendría por qué haber ocurrido al mismo ritmo en todos los puntos del espacio.

De hecho, las posibilidades de que eso suceda son aparentemente tan astronómicas que son casi nulas. Como resultado, un solo punto en el espacio podría expandirse a una velocidad completamente diferente a la de los puntos espaciales que lo rodean (he oído que se compara con inflar un globo con un defecto, de modo que el defecto se convierte en una burbuja en la superficie cuando está inflado).

Según tengo entendido, terminarías con una gran multitud, posiblemente incluso un número infinito de universos alternativos , completamente separados pero aún "unidos" a los otros universos. Y dado que cada universo posee sus propias leyes (¿o la falta de ellas?) para describir la fuerza, el espacio, el tiempo, etc., el multiverso teóricamente podría existir para siempre, con un comienzo finito pero sin un final. (Fuente: uno de mis profesores de Ingeniería Física)

@ Martín ¡Gracias por los comentarios! Es cierto que ignoro en gran medida la teoría de la inflación, pero debo agregar que el profesor de mi profesor era miembro del equipo de Guth que ayudó a desarrollar las matemáticas de la teoría de la inflación. En cualquier caso, tengo entendido que aunque hay una variedad de teorías de inflación viables, los modelos más serios requieren la presencia de radiación gravitatoria resultante del Big Bang (denominadas Ondas Gravitacionales Primordiales). Según la teoría de Guth, la inflación ocurrió justo antes del Big Bang, y cuando se detuvo, la energía presente en el campo de inflación se convirtió en calor y el Big Bang (y el abuelo de todas las ondas gravitacionales).

La teoría de la inflación todavía es bastante nueva (¿solo tiene alrededor de 40 años?), por lo que es lógico que cualquier nueva teoría que se proponga hoy en día probablemente incorpore GR debido al éxito de GR. Entonces, supongo que la respuesta corta es que los modelos de inflación actuales, que incorporan GR, requieren ondas gravitacionales primordiales, y si existen ondas gravitacionales primordiales, entonces existen ondas gravitacionales.

Además de las respuestas dadas anteriormente, me gustaría agregar un poderoso argumento teórico.

Como saben, existe la ley de Coulomb, que establece que la interacción estática entre cuerpos cargados se comporta con la distancia.$r$como$r^{-2}$. Es una ley de largo alcance: si tocamos una carga, entonces, de acuerdo con esta ley, otra sentirá el cambio simultáneamente. Este punto de vista sobre las interacciones eléctricas cambió por completo cuando Maxwell se dio cuenta de que las interacciones lumínicas, eléctricas y magnéticas tienen la misma naturaleza; dado que la velocidad de la luz es finita, la teoría de Maxwell nos dice que si tocamos una carga, entonces la información del cambio de fuerza - campo electromagnético - se propagará con velocidad finita - la velocidad de la luz.

Esta concepción, concepción de la finitud de todas las interacciones, se mantiene así en todas las teorías fundamentales (según el punto de vista moderno) independientemente de su naturaleza; eso es porque esta es la propiedad de nuestro espacio-tiempo (este hecho se fija, por ejemplo, en forma explícita de las transformaciones de Lorentz y el principio de causalidad y proviene de los axiomas generales basados ​​en las simetrías espacio-temporales).

La teoría de la relatividad general, por ejemplo, se basa en la afirmación de que localmente nuestro espacio-tiempo se parece al de Minkowski, lo que fuerza la finitud de las interacciones gravitatorias. En particular, las ecuaciones de la teoría de la relatividad general en métrica (ecuaciones de Einstein), al ser linealizadas en ausencia de materia, coinciden formalmente con las que podemos obtener construyendo la teoría libre de partículas sin masa helicidad 2, partiendo de la simetría global de Poincaré. Este último describe ondas.

En el punto de vista anterior, la detección de ondas gravitatorias es algo más grande que la verificación de la relatividad general, abriendo el nuevo método de observaciones astrofísicas u otra forma de verificar GR. Está comprobando la propiedad del espacio-tiempo que es la base de toda la física fundamental moderna.

Una lista no exhaustiva de algunos de los prospectos:

Ecuación de estado de la estrella de neutrones

Las ondas gravitacionales se pueden utilizar para verificar la ecuación de estado

Estructura interna de los estallidos de rayos gamma

La dinámica de los GRB todavía está envuelta en misterio y nada puede sondear realmente la estructura interna de los GRB como lo hacen las ondas gravitacionales.

Velocidad de las ondas gravitacionales

Uno de los más obvios, pero aún no se ha establecido que la velocidad de las ondas gravitacionales sea c (como debería ser)

Poniendo a prueba las teorías de la gravedad

Técnicamente, GR puede reconstruirse relajando los supuestos y permitiendo, por ejemplo , torsiones . ¿ Quizás la teoría de Brans-Dicke es correcta?

Gravitones

Bastante obvio

Desde que se descubrió la radiación electromagnética, cambió la forma en que nos comunicamos. Entonces, tal vez la radiación gravitacional traería algo igual de emocionante.