¿Para qué sirve la observación directa de ondas gravitacionales?

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La detección directa de las ondas gravitacionales emitidas en la fusión de dos agujeros negros permitirá estudiar la física de los horizontes de sucesos con gran detalle. Cuando dos agujeros negros se fusionan resulta un nuevo agujero negro cuyo horizonte es dinámico, vibra como una membrana, produciendo una marca en las ondas gravitacionales muy distintiva. Su observación será mucho más limpia que la que se puede obtener gracias a las ondas electromagnéticas emitidas en los discos de acreción de materia. Gracias a ello podremos verificar las predicciones de los teoremas de la relatividad general sobre los agujeros negros.

La no linealidad de las ecuaciones de Einstein se muestra en todo su esplendor durante este fenómeno. En los últimos minutos de vida de sistemas binarios formados por dos agujeros negros se alcanzan velocidades muy altas (v/c > 0,3), hasta dos órdenes de magnitud mayores que las alcanzadas en los púlsares dobles que podemos observar mediante ondas gravitacionales de forma indirecta. Además, se alcanzan campos gravitacionales enormes y altamente dinámicos, con enormes curvaturas del espaciotiempo. La información que ganaremos sobre los agujeros negros será capital para nuestra comprensión de estos objetos compactos que aún guardan muchos secretos.

Más aún, podremos confirmar de forma casi definitiva que los objetos ultracompactos que observamos en el cielo (“agujeros negros” astrofísicos) son descritos por las soluciones matemáticas tipo agujero negro. Más información en Nicolás Yunes, “Einstein ¿sigue teniendo razón?” Revista Española de Física 29-4 (2015).

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La observación directa de ondas gravitacionales permitirá comprobar muchas de las predicciones de la relatividad general. Por ejemplo, que las ondas gravitacionales se propagan en el espaciotiempo a la velocidad de la luz en el vacío. Este hecho implica que los gravitones (que forman las ondas gravitacionales) son partículas sin masa. Hay teorías alternativas que predicen que el gravitón tiene masa y, por tanto, las ondas gravitacionales se propagan a una velocidad menor que la de la luz en el vacío. Dichas teorías podrían ser descartadas.

La relatividad general también predice que las ondas gravitacionales (y los gravitones) tienen sólo dos polarizaciones, como las ondas electromagnéticas. En otras teorías alternativas estas ondas pueden tener hasta seis polarizaciones diferentes (dos escalares, dos vectoriales y dos tensoriales). La detección directa de ondas gravitacionales permitirá verificar esta predicción.

La detección simultánea de ondas gravitacionales y ondas electromagnéticas emitidas por la misma fuente permitirá poner límites a las violaciones de la simetría de Lorentz en el sector gravitacional. Bastaría observar las emitidas en la fusión de estrellas de neutrones en un sistema binario que va acompañada de la emisión de una explosión corta de rayos gamma (ondas electromagnéticas).

Las teorías de gravedad cuántica suelen construirse modificando la acción de Hilbert–Einstein (normalmente, mediante correcciones cuadráticas en los invariantes de la curvatura). Estas correcciones modifican la estructura íntima de los agujeros negros y de las estrellas de neutrones. Las ondas gravitacionales permitirán poner límites a estas teorías y abrir el camino hacia una futura teoría cuántica de la gravedad.

La teoría de la relatividad general ha sido verificada con gran precisión usando campos gravitacionales débiles y casi estáticos, donde la curvatura del espaciotiempo es muy pequeña y varía muy poco durante el tiempo de observación. La magnitud del campo gravitacional y de la curvatura del espaciotiempo son proporcionales al potencial newtoniano normalizado U = GM/(Rc²) y al inverso del radio de curvatura ℜ–1 = R–1 [GM/(Rc²)]1/2, donde G es la constante de Newton, mientras que M y R son la masa y el radio característicos del sistema. La variabilidad temporal del campo gravitacional es proporcional a (v/c), donde v es la velocidad característica del sistema.

Nicolás Yunes nos estima en su artículo que para el sistema binario Sol-Tierra se tiene U ~ 10–8, ℜ–1 ~ 10–12 km–1 y (v/c) ~ 10–4. Por ello que la astrofísica del sistema solar puede ser descrita por la mecánica clásica de Newton con gran exactitud. En los púlsares binarios (estrellas de neutrones que rotan a altas velocidades) se alcanzan campos gravitacionales de U ~ 0,2 y y curvatura de ℜ–1 ~ 0.04 km–1, con una variabilidad temporal de v/c ~ 10–3. Valores mucho más pequeños que los se pueden alcanzar en las colisiones de agujeros negros, U ~ 1, ℜ–1 ~ 1 km–1, y v/c ~ 1. La única manera de estudiar estos sistemas gravitatorios tan excepcionales es mediante la detección directa de ondas gravitacionales.

3 Comentarios

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planck

Es increíble que podamos deducir ciertas propiedades sobre teorías de gravedad cuántica estudiando las ondas gravitacionales. No se si será posible alcanzar la sensibilidad necesaria pero las posibilidades son impresionantes. Por otro lado, después de la expectación que se ha montado como lleguen los científicos de LIGO y digan mañana que no han visto nada los linchan :-) Creo que esta vez el río suena demasiado para no llevar agua, parece bastante probable que mañana anuncien algo gordo, probablemente la fusión de agujeros negros que se ha rumoreado. Si se piensa detenidamente la fusión de 2 agujeros negros es el evento más increíble que puede suceder en el Universo: dos monstruos de 36 y 29 masas solares que giran en espiral entorno a su centro de masas a casi el 60% de la velocidad de la luz y que en el último segundo antes de la fusión emiten la misma energía que 3 soles a lo largo de toda su existencia en forma de ondas gravitatorias. Esto les convierte en los objetos más brillantes del Universo . Y nosotros situados a millones de años luz (LIGO podrá detectar eventos hasta a 500 millones de años luz) somos capaces de detectar y medir la frecuencia de las increíblemente débiles ondas que nos llegan. Es una pena que VIRGO no estuviese en funcionamiento, entre los 3 detectores se podría “triangular” la señal y precisar bastante más su localización. Por cierto, los agujeros negros están hechos de espacio vacío con una enorme curvatura, es decir, estamos detectando el choque entre 2 geometrías del espacio-tiempo con enorme curvatura, lo que sucede en la singularidad nadie lo sabe y la localización concreta de la masa-energía que produce esa enorme curvatura tampoco ¿entrelazamiento? ¿nuevas dimensiones? Es una pena que las ondas gravitatorias no nos digan nada de esto, sin embargo, se abre una nueva ventana de exploración del Universo, además de las increíbles posibilidades que destaca Francis yo añadiría:
– Posible detección de cuerdas cósmicas
– Posible detección de la localización de las inmensas explosiones de rayos gamma
– Mejora en la precisión de distancias astrofísicas y de medidas de la materia y energía oscura (los sistemas binarios de AN actuarían como “faros estándar” para medir distancias cosmológicas).
Es increíble como podemos colaborar para realizar cosas asombrosas y encontrar la respuesta a los secretos más profundos del Universo y como, por otro lado, somos totalmente incapaces de mantener un modelo económico y socio-político que favorezca a la mayoría: la gloria (la ciencia) y la miseria (los prejuicios ideológicos) del ser humano en todo su esplendor.

wachovskywachovsky

Las vibraciones tipo membrana no-acústicas que son gravitatorias vienen con una cantidad de energía asociada en ergios, joules o electrón voltios, si tras varias mediciones y cotejo de la masa de los emisores agujeros negros a lo largo de unas dos décadas (si ese tiempo tendríamos) pudiesemos cuantizar las cargas, acaso no podríamos también cuantizar la unidad de carga gravitacional? el graviton finalmente cuantizado por la frecuencia o por lambda y su energía adosada?

SagutxoSagutxo

Confirmado, estoy viendo la rueda de prensa de la NSF por Internet y acaban de confirmar que el rumor era cierto. Gran momento para la Ciencia !

SalU2

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