¿Por qué las ondas gravitacionales son difíciles de detectar?

Acabo de empezar a aprender la teoría general de la relatividad del libro de texto de gravedad de Hartle. En una sección sobre ondas gravitacionales, encontré la siguiente declaración: "Las ondas gravitacionales son difíciles de detectar debido al débil acoplamiento de la materia" y se refiere a esta ecuación

F gramo r a v F mi yo mi C ≈ 10 − 36
Hay otra afirmación: "Las ondas gravitacionales se detectan por su efecto sobre las órbitas de los cuerpos que emiten la radiación". No puedo entender ambas afirmaciones. Según mi conocimiento, a medida que las ondas gravitacionales viajan a través del espacio y el tiempo, estirar el espacio da como resultado un aumento en la distancia entre dos masas de prueba. Entonces, lo que ambas declaraciones quieren decirnos.

No estoy seguro de lo que estás tratando de preguntar. Las ondas gravitacionales son muy débiles y nuestros mejores detectores solo pueden detectar ondas de eventos extremadamente intensos, como fusiones de agujeros negros. Antes de que LIGO detectara con éxito cualquier onda, teníamos alguna evidencia indirecta de ondas gravitacionales, a través del período cambiante de las estrellas de neutrones binarias.
Sí, estaba preguntando antes de que LIGO detectara ondas gravitacionales, por favor, ¿puede indicarme dónde puedo estudiar sobre el período de cambio de las estrellas de neutrones binarias y también decirme? ¿Las ondas gravitacionales afectan a los cuerpos que las producen (en este caso, la estrella de neutrones binaria?

Respuestas (2)

Primero, las ondas gravitacionales que tenemos disponibles para las observaciones son, afortunadamente, no tan intensas. Sus fuentes son bastante poderosas (como irradiar pocas masas solares durante medio segundo para un binario de agujero negro estelar), pero también están muy lejos y la ley de los cuadrados inversos se activa bastante bien. Mil millones de años luz es una gran distancia.

La salida de luz de una supernova puede ser de un orden de magnitud comparable, pero tanto nuestros ojos como nuestros telescopios son increíblemente sensibles a la luz. Podemos detectar ~10 fotones en unas pocas horas y ubicarlos en un área del tamaño de un miliarcosegundo en el cielo. Entonces, dependiendo de otras circunstancias, podemos llamarlos asteroide, estrella, galaxia o supernova.

No tenemos nada comparable para las ondas gravitacionales (al menos, por ahora). Todo lo que podemos hacer al respecto es detectar algún movimiento de objetos bastante distantes entre sí y de alguna manera distinguir ese movimiento de los movimientos impuestos por otras fuerzas conocidas. Cuantos más objetos distantes tengamos (hasta la escala de la longitud de onda gravitatoria), más movimiento crean las ondas gravitacionales (y menos control tenemos sobre las fuerzas externas).

Los interferómetros LIGO detectan movimientos del tamaño de un núcleo atómico a una distancia de 4 km (una hazaña impresionante en sí misma) y luego tienen que filtrar, por ejemplo, a las personas que caminan alrededor de los detectores.

En segundo lugar, el universo nos presenta eventos gravitatorios más o menos brillantes en el rango de los kilohercios (y probablemente por debajo). Las ondas de mayor frecuencia serían algo más fáciles de detectar debido a sus longitudes de onda más cortas, pero los agujeros negros simplemente se niegan a orbitar entre sí más rápido. La onda de 1 kHz tiene una longitud de onda comparable a varios diámetros de la Tierra y aún no podemos construir detectores del tamaño de la Tierra. Nuestros detectores de 4 km captan solo una parte muy pequeña de la posible señal.

Al igual que con las ondas electromagnéticas, para obtener los mejores resultados, la antena receptora debe tener un tamaño comparable a 1/4 de la longitud de onda. Aquí tenemos 4 km en lugar de ~10000 km.

Puedo intentar explicarte por qué las ondas gravitacionales son (experimentalmente) difíciles de detectar. Si desea detectarlos, lo hace hoy en día en experimentos de Física Láser (por ejemplo, en LIGO en los EE. UU. o en Virgo en Europa). Para ello, se utilizan enormes espejos. Si sabe que las ondas gravitacionales están en los interferómetros, la cantidad en la que los espejos se desplazan debido a las ondas gravitacionales es muy pequeña, por lo que es muy difícil detectarlas. De hecho, es necesario asegurarse de que la pequeña distancia en la que se desplazan los espejos no provenga, por ejemplo, del movimiento browniano en las superficies de los espejos.

Sé que no respondí directamente a sus dos preguntas, pero espero que esto aclare al menos un poco por qué las ondas gravitacionales son difíciles de detectar.

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