¿No se pueden usar púlsares y estrellas para la medición de ondas gravitacionales?

Cómo LIGO, LISA, etc. detectan ondas gravitacionales

El objetivo de instrumentos como LIGO y LISA es medir cambios en la distancia que varían con el tiempo dentro de diferentes brazos del instrumento. En el caso de un brazo orientado en la dirección de una onda gravitacional entrante (GW), la longitud del brazo aumentará y disminuirá, mientras que un brazo orientado perpendicularmente permanecerá sin cambios.

El método para medir esto es dividir un rayo láser, enviar cada mitad por los diferentes brazos y luego recombinarlos y observar el patrón de interferencia. Si los brazos tienen longitudes idénticas, entonces los rayos interferirán destructivamente. Sin embargo, si uno de los brazos se vuelve más largo (o más corto), los haces recombinados estarán desfasados ​​y ya no tendrás una interferencia destructiva perfecta.

La clave para poder medir este tipo de cosas con precisión son dos cosas:

1. Longitud del brazo, por lo que el haz que viaja por la ruta de longitud alterada tiene tiempo para acumular un cambio de fase lo suficientemente grande como para que el patrón de interferencia cambie lo suficiente como para medirlo. Los brazos más largos conducen a cambios de fase más grandes, razón por la cual LISA pretende tener brazos de 2,5 millones de kilómetros de longitud.

2. La longitud de onda de la luz: cuanto más corta sea la longitud de onda, menor debe ser el cambio real en la longitud del brazo para que el haz cambie apreciablemente de fase. Si los haces recombinados difieren en fase en un 0,001 %, el cambio en el patrón de interferencia será muy difícil de detectar y medir. Pero si difieren en fase en un 50%, entonces la diferencia será obvia. Las longitudes de onda más cortas producen cambios de fase más grandes.

Si quiere pensar en la medición interferométrica como una especie de medición de tiempo (es decir, estamos, en cierto sentido, midiendo la diferencia de tiempo que tarda la luz en viajar por los dos brazos), entonces la luz óptica es mucho mejor que la radio para Mediciones de "tiempo" .

Tiempo de púlsar

Como usted señaló, hay proyectos que usan púlsares para tratar de detectar ondas gravitacionales (por ejemplo, conjuntos de sincronización de púlsares ).

Estos funcionan midiendo los retrasos en la llegada de los pulsos de radio de los púlsares de milisegundos. Sin embargo, es importante tener en cuenta las limitaciones: para medir el tiempo de llegada con precisión, debe observar un púlsar durante un período de varios minutos (o más) y sumar todas las llegadas de pulsos para obtener un valor único y preciso. (Tú no eresmidiendo los cambios entre la llegada de un solo pulso y el siguiente). Luego repite esta medición varias semanas o meses más tarde para obtener otra hora de llegada. Dado que está tomando medidas con semanas o meses de diferencia, solo puede detectar variaciones en la misma escala de tiempo, razón por la cual los conjuntos de sincronización de púlsares esperan detectar GW con períodos de meses a años (por ejemplo, de agujeros negros supermasivos binarios). Los tipos de GW que detecta LIGO, con períodos de fracciones de segundo , están completamente más allá de lo que pueden hacer las matrices de sincronización de púlsares.

No podemos utilizar la luz óptica de las estrellas, porque no conocemos ninguna estrella que produzca la periodicidad exquisitamente regular de un púlsar de milisegundos.

Como comentario final, su escenario de fotones que "llegan regularmente a 15 fotones cada microsegundo a un CCD" tiene el problema de que el ruido de Poisson (también conocido como "ruido de disparo " ) significa que en realidad no obtendría 15 fotones cada microsegundo; obtendría alrededor de 15 cada microsegundo (una secuencia típica podría verse así: 16, 15, 18, 15, 14, 14, 15, 23, 16, 12, ...). Con tanta variación, es muy difícil detectar variaciones sutiles en la intensidad de la señal intrínseca.

¿No se pueden usar púlsares y estrellas para la medición de ondas gravitacionales?

En teoría, sí. Consulte el artículo de la NASA de 2017 Listening for Gravitational Waves Using Pulsars .

Supongamos que recolectamos fotones de una estrella distante, y llegan regularmente a 15 fotones cada microsegundo a un CCD, cuando una onda de gravedad curva el espacio-tiempo, ¿no se tambalearía el gráfico normal de 15 fotones como resultado de la onda gravitacional?

Un poco. Cuando la onda gravitacional esté pasando, estaremos sujetos a una ligera dilatación del tiempo. Entonces parecería como si el púlsar se hubiera acelerado.

¿Por qué el observatorio LISA tiene que comparar los tiempos de los láseres, si los púlsares pueden ser tan precisos como los relojes atómicos, no puede simplemente comparar un montón de señales de púlsares? Un solo satélite que registre 50 púlsares se movería en comparación con los púlsares y tendría una frecuencia de pulsos de 50 Hz con pulsos que se pueden graficar en frecuencias de kHz.

Lo siento, no sé la respuesta a eso. Pero vea el artículo de Wikipedia sobre LISA y tenga en cuenta que está programado para la década de 2030. Pueden pasar muchas cosas entre ahora y entonces. Tal vez no siga adelante.

El otro punto a plantear es que la frecuencia esperada de las ondas gravitacionales que detectas varía entre los sistemas de sincronización de Lisa y púlsar. Esto altera los tipos de sistemas que detectará. Los conjuntos de sincronización Pulsar deberían encontrar fusiones masivas de agujeros negros, mientras que Lisa debería encontrar; agujeros negros de masa estelar años antes de que se fusionen, enanas blancas binarias en la galaxia (que tampoco se fusionan), así como agujeros negros de masa intermedia (que se fusionan). Por lo tanto, los diferentes detectores tienen diferentes usos, incluso si uno pudiera hacerse más preciso que el otro.