Las propiedades del gravitón según la señal GW150914

Dibujo20160216 count rates photons Gamma-ray Burst Monitor arXiv 1602 03920

La onda gravitacional GW150914 observada por LIGO permite estudiar la validez de la teoría general de la relatividad en el régimen de campo gravitacional fuerte. Como resultado podemos obtener nuevas cotas para sus constantes físicas fundamentales y para los parámetros postnewtonianos, aunque aún no son tan buenas como las obtenidas de forma indirecta mediante estudios cosmológicos. Futuras señales de ondas gravitacionales prometen mejorar mucho estas cotas.

Gracias a GW150914 las colaboraciones LIGO y Virgo acotan la masa del gravitón por mg < 1,2 × 10−22 eV al 90% CL. Este valor está aún lejos de la mejor cota cosmológica, mg < 6 × 10−32 eV (PDG 2014). Acotar con precisión la velocidad de las ondas gravitacionales requiere observar fotones emitidos por la fuente. Hay una señal prometedora con rayos gamma a más de 50 keV observada por el telescopio espacial Fermi que parece coincidir en tiempo y dirección de origen con la señal GW150914. Bajo la hipótesis de que corresponden al mismo suceso se permite acotar la velocidad de las ondas ondas gravitacionales hasta cg − cγ < 10−17 cγ (donde cγ y cg son la velocidad del fotón y del gravitón en el vacío). No es una cota muy buena, pero augura que futuras coincidencias entre las señales de LIGO+Virgo y Fermi podrían permitir cotas mucho mejores.

Los interesados en los tests de la relatividad general gracias a LIGO disfrutarán de The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, “Tests of general relativity with GW150914,” arXiv:1602.03841 [gr-qc]. La posible coincidencia de señal entre LIGO y Fermi se presenta en V. Connaughton et al., “Fermi GBM Observations of LIGO Gravitational Wave event GW150914,” arXiv:1602.03920 [astro-ph.HE]. No se ha observado ninguna señal a posterior (o a priori), Fermi-LAT collaboration, “Fermi-LAT Observations of the LIGO event GW150914,” arXiv:1602.04488 [astro-ph.HE].

Bajo la hipótesis de la coincidencia entre Fermi y LIGO hay varios artículos que estudian la velocidad de las ondas gravitacionales. Recomiendo, como no, a John Ellis, Nick E. Mavromatos, Dimitri V. Nanopoulos, “Comments on Graviton Propagation in Light of GW150914,” arXiv:1602.04764 [gr-qc]; pero también a Xiang Li et al., “Implication of the association between GBM transient 150914 and LIGO Gravitational Wave event GW150914,” arXiv:1602.04460 [astro-ph.HE].

Si se omite la hipótesis de coincidencia, el límite que se obtiene es bastante pobre (3030 km entre Livingston y Hanford es muy pequeña), como nos cuentan Diego Blas et al., “On constraining the speed of gravitational waves following GW150914,” arXiv:1602.04188 [gr-qc].

Y ya que estamos, puedes consultar aquí [PDF] los datos del Particle Data Group de 2014 sobre el gravitón.

[PS 18 Feb 2016] Por cierto, no se han observado neutrinos asociados a GW150914 ni en IceCube ni en ANTARES. Más información en ANTARES Collaboration, “High-energy Neutrino follow-up search of Gravitational Wave Event GW150914 with ANTARES and IceCube,” arXiv:1602.05411 [astro-ph.HE].

[PS 06 Mar 2016] Christopher Berry, @cplberry, “GW150914: The papers,” Blog, 23 Feb 2016; “Prospects for Observing and Localizing Gravitational-Wave Transients with Advanced LIGO and Advanced Virgo,” Blog, 04 Mar 2016; Barry Barish, “New results on the Search for Gravitational Waves,” CERN WebCast, 11 Feb 2016; “Signal Processing with GW150914 Open Data,” LIGO, Feb 2016. B. P. Abbott et al., “Localization and broadband follow-up of the gravitational-wave transient GW150914,” arXiv:1602.08492 [astro-ph.HE].

Dibujo20160216 gw150914 ligo gw150914-gbm fermi Gamma-ray Burst Monitor arXiv 1602 03920

La señal GW150914-GBM (Gamma-ray Burst Monitor) del telescopio espacial Fermi de la NASA se observó 0,4 segundos después de la detección de la señal GW150914 de LIGO. La probabilidad de que la coincidencia sea pura casualidad (una falsa alarma) es de 0,0022. Además, la fuente de Fermi GW150914-GBM está en la dirección del cielo más probable para el origen de la señal de LIGO GW150914 (que en en ausencia de Virgo es un arco bastante extenso).

Por cierto, otros detectores no han observado ninguna señal. Ni el telescopio espacial de rayos gamma de la NASA llamado Swift (P.A. Evans et al., “Swift follow-up of the Gravitational Wave source GW150914,” arXiv:1602.03868 [astro-ph.HE]), ni tampoco el telescopio Pan-STARRS1 y el espectroscopio PESSTO (S.J. Smartt et al., “Pan-STARRS and PESSTO search for the optical counterpart to the LIGO gravitational wave source GW150914,” arXiv:1602.04156 [astro-ph.HE]), ni tampoco el telescopio de rayos gamma INTEGRAL (V. Savchenko et al., “INTEGRAL upper limits on gamma-ray emission associated with the gravitational wave event GW150914,” arXiv:1602.04180 [astro-ph.HE]), ni tampoco la cámara de energía oscura DEC (M. Soares-Santos et al., “A Dark Energy Camera Search for an Optical Counterpart to the First Advanced LIGO Gravitational Wave Event GW150914,” arXiv:1602.04198 [astro-ph.CO]).

En resumen, el campo de la astronomía de ondas gravitacionales es muy prometedor, sobre todo en combinación con la astronomía de rayos de gamma. Los sucesos que sean detectados por ambos métodos nos darán información muy relevante sobre nuestro universo y sobre la teoría general de la relatividad.

27 Comentarios

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Jaime RudasJaime Rudas

[…] acotar la velocidad de las ondas ondas gravitacionales hasta c_g − c_γ < 10^(−17) (donde cγ y cg son la velocidad del fotón y del gravitón en el vacío).
[…]
La señal GW150914-GBM (Gamma-ray Burst Monitor) del telescopio espacial Fermi de la NASA se observó 0,4 segundos después de la detección de la señal GW150914 de LIGO.

¿Significa eso que la velocidad del gravitón es mayor que la del fotón?

Francisco R. Villatoro

No, Jaime, lo que significa que es que la señal óptica no nació en la misma fuente de la onda gravitacional, sino que fue consecuencia a posteriori. Se interpreta que los agujeros negros que se fusionaron no tenían disco de acreción y que la señal óptica fue resultado de que la onda gravitacional atravesó una región densa de gas a la que afectó provocando la emisión de rayos gamma poco energéticos.

Jaime RudasJaime Rudas

Revisando en http://arxiv.org/pdf/1602.04764v1.pdf encuentro que en el resumen dice:
“constrain the difference between the velocities of light and gravitational waves: c_g − c_γ < 10^(−17)"
mientras que en el cuerpo del artículo dice:
“to constrain the difference between the velocities of light and gravitational waves in vacuo: c_γ − c_g < 10−17c."
Supongo (sin tener mucho conocimiento de este tema) que la errata está en el resumen, pero me sigue quedando la duda porque, más abajo, vuelve a invertir los términos y , además, se insiste en que el destello fue observado después de las ondas gravitacionales.

Francisco R. Villatoro

Gracias, Jaime, por estar atento. Obviamente se trata de un error relativo, es decir, está bien como lo escribes en el segundo caso (en el primer caso y en el resumen del paper está mal).

notengoniideanotengoniidea

¿Dependiendo del número de nuevas señales que se detecten en los próximos meses o años puede esto afectar a la cantidad de masa bariónica que suponemos que forma el Universo?

Parte de la materia oscura podrían ser agujeros negros de masa estelar difícilmente detectables con todo lo que no sean “LIGOS”.

detorrdetorr

Estoy muy pez en esto. Los gravitones no van a la velocidad de la luz (porque tienen masa) y las ondas gravitacionales sí. Cual es la naturaleza de los gravitones, es decir, la onda gravitatoria y la luz llega antes que la propia interaccion gravitacional? Cual es la relacion entre los gravitones y las ondas?

MiguelMiguel

Tenia entendido que los gravitones no existen en relatividad general, y nadie ha conseguido todavia unificar la mecanica cuantica con la relatividad general. Seguro que es prudente afirmar que una onda gravitacional esta formada por gravitones ?

Francisco R. Villatoro

Miguel, prudente o no prudente, así lo afirman todos los físicos que han estudiado relatividad, gravitación y gravitación cuántica. Se llama gravitón al cuanto de la gravitación, que se comportará como una partícula de espín 2, no importa si existe como partícula o no existe como partícula, en cuyo caso existirá otra cosa que en cierto límite físico se comporte como una partícula. Todo depende de la escala de energía y con toda seguridad existe una escala de energía en la que una onda gravitacional se puede entender como un flujo de gravitones (incluso si no existen las partículas de espín dos). Lo mismo pasa con los fonones, magnones, etc.

ruizvialruizvial

“el campo de la astronomía de ondas gravitacionales es muy prometedor, sobre todo en combinación con la astronomía de rayos de gamma” .. Uff. Esa no era la conclusion, ahi dice que la señal GW150914 quedo sin fiar en el espectro electromagnetico.

Maximo LuffiegoMaximo Luffiego

Sufren las ondas gravitacionales un desplazamiento hacia una menor frecuencia con motivo de la expansión del Universo, al igual que lo hacen las electromagnéticas?
Si es así, podría haber un fondo de ondas que proporcionara información de instantes cercanos al big bang?

Francisco R. Villatoro

Maximo, por supuesto, pero GW150914 es un evento muy cercano z=0,1, luego la frecuencia ha cambiado en un 10% (1+z = 1,1). Este fenómeno afecta poco, pero se tiene en cuenta en los análisis de la seña.

Por supuesto, todo el mundo cree que existe un fondo de ondas gravitacoinales de origen primordial. Todavía no lo hemos observado. LIGO+Virgo no puede observarlo. Se espera que LISA pueda hacerlo.

GerardoGerardo

Pregunto yo: ¿Es normal que ningún otro detector haya detectado nada? ¿Una fusion colosal de 2 agujeros negros solo generan ondas gravitacionales?

¿Ni siquiera neutrinos?

Si es así sigo pensando que las señales de OG serán abundantes y muy comunes por 3 razones:
1) El hecho de que hayan sido observadas “tan rápido” después de la actualización de LIGO me dice que hay una serendipia enorme, o que simplemente el evento es común.

2) Si al colisionar dos agujeros negros solo se generan OG, entonces ese tipo de eventos habian estado ocultos hasta ahora, lo que significa que ocurrian pero no eramos capaces de detectarlos

3) Si LIGO puede detectar ese tipo de eventos en una esfera de 3000 millones de años-luz, simplemente puede detectar cualquier colisión entre AN que haya ocurrido en casi cualquier momento de la historia del universo

Francisco R. Villatoro

Gerardo, por supuesto, es completamente normal. Virgo (habría visto GW150914), pero no está en funcionamiento. GEO600 no tiene una sensibilidad suficiente para observar GW150914. No hay ningún otro detector interferométrico en el mundo. Los detectores tipo Weber tampoco tienen sensibilidad suficiente.

Por otro lado, la fusión de dos agujeros negros emite ondas gravitacionales y poco más (su flujo de neutrinos o fotones es ridículo). La única opción es que expulsaran sus discos de acreción antes del encuentro y se encuentre una nube de materia entre nosotros y el suceso, con lo que se habría observado una emisión de fotones (el telescopio Fermi podría haberla observado). Los posibles neutrinos emitidos así son poco energéticos para poder ser detectados a una distancia tan grande.

Cuando la sensibilidad de LIGO mejora en un factor de 3, el volumen explorado crece en un factor de 3^3 = 27. Pero cuanto más lejos, más energético tiene que ser el suceso. GW150914 combina que estaba cerca (no ya AdvLIGO, sino LIGO, podría haberlo visto) y que fue muy energético. La población de este tipo de eventos debe ser bastante baja. Luego ha habido cierto grado de serendipia.

Saludos
Francis

vicentevicente

Pero cuanto más lejos, más energético tiene que ser el suceso

Pues ayer estuve en la conferencia que dio en Palma de Mallorca la física que lidera el equipo español y creí entender que no importaba la distancia como con las ondas electromagnéticas. Me pareció extraño.

Francisco R. Villatoro

Vicente, la distancia importa, y mucho. Imagina la onda como formada por gravitones a modo de proyectiles. El flujo (número de proyectiles por unidad de área y unidad de tiempo) o la intensidad o la densidad de energía o lo que quieras contar para caracterizar la onda, al final, se reduce a contar proyectiles; en la fuente el número está dado, pero conforme te alejas la cuenta cambia en función de la distancia (función que depende de cómo lo quieras contar).

wachovskywachovsky

eso lo percibio y calculó Newton, en energía gravitatoria la densidad disminuye pero en fotonica electromagnética viaja a c en el vacío y se mantiene constante en velocidad tanto como en densidad; tiene que ser un efecto de las cargas topologicas, en última instancia de la geometría misma del asunto: las fotonicas polarizan y las gravitonicas centralizan la energía. Hay un trayecto de lo rectilíneo a las cónicas elipticas-hiperbolicas entre ambas facciones de la energía bosonica.

VicenteVicente

Gracias. Me extrañó mucho, pero cómo iba a discutirle yo a un físico. Tal vez le entendí mal.

GerardoGerardo

Otra pregunta: ¿Será que LIGO puede detectar algún evento colosal que ocurra con la materia oscura?

wachovskywachovsky

Materia oscura no implica ondas gravitacionales, materia barionica sensible a la gravedad tampoco

Francisco R. Villatoro

Gerardo, hay varias propuestas muy especulativas en ese sentido. Por ejemplo, se han propuesto los “átomos gravitacionales” en los que la materia oscura alrededor del horizonte de sucesos de un agujero negro puede formar niveles energéticos como los electrones en los átomos, pero cuyas transiciones emiten gravitones (ondas gravitacionales) en lugar de fotones (ondas electromagnéticas); más información en http://arxiv.org/abs/1411.2263. Son propuestas muy especulativas, por supuesto.

GerardoGerardo

Sigo pensando en el tema: dado que las OG son ondas: ¿pueden estas ser enfocadas de alguna manera? ¿pueden ser desviadas para lograr direccionarlas?

Se me ocurre que si, ya que como la “gravedad gravita”, es posible que en un poso gravitatorio suficientemente fuerte se puedan desviar las OG. Tal vez algo pequeño como el sol no logré un efecto suficientemente fuerte, pero una galaxia o un cumulo si pueda hacerlo.

Si estoy en lo correcto tal vez hasta hayan causticas o regiones donde las OG se enfoquen, dando un efecto gravitatorio en una zona donde no deberia haberlo: ¿alguien ha pensado como yo en la materia oscura?

¿Seria posible que el efecto de materia oscura se deba a causticas de OG?, es decir, OG enfocadas en una región

Fandila SoriaFandila Soria

Entonces, si las ondas gravitacionales generan los llamados gravitones o cuantos gravitacionales, ¿cuál sería el papel de la presión de vacío, o causa energética de la expansión?
¿Podrá comprobarse que cualquier masa emita su onda gravitacional y que estas sean las causantes de la atracción gravitatoria?
¿Cuantos “tamaños” de gravitones serán precisos para abarcar cualquiera de las dimensiones materiales, incluyendo la materia oscura habitual o la la interna de un agujero negro?
¿Cuál sería el mecanismo de interferencia entre ondas gravitacionales de dos masas cualesquiera para causar la atracción? ¿Sería suficiente?
(¿Cuantos efectos gravitatoorios hay?)

Demasidas preguntas, que con el tiempo podrán resolverse.

Francisco R. Villatoro

Fandila, tu primera pregunta creo que se refiere a la energía oscura, la gran incógnita del siglo XXI. La segunda pregunta ta tiene respuesta: las ondas gravitacionales sabemos que no son la causa de la gravitación. La tercera pregunta ya tiene respuesta: la longitud de onda de Compton del gravitón es su tamaño (a mayor energía menor tamaño). La cuerta pregunta es la misma que la segunda. Y la última entre paréntesis depende de a qué llames “efecto” (recuerda que la gravitación es un campo con 10 componentes, y que todas las combinaciones posibles dan un “efecto”).

Saludos
Francis

Fandila SoriaFandila Soria

“La tercera pregunta ya tiene respuesta: la longitud de onda de Compton del gravitón es su tamaño (a mayor energía menor tamaño)”
Pero poco tiene que ver la reflexión de la onda del supuesto gravitón, efecto Compton.
La dimensión del gravitón, 1,6 x 10^-70, en masa, no tendrá mucho que ver con una partícula análoga, cerca o en el punto singular de un agujero negro. Verdaderos taquiones. A mi entender el gravitón se agota en sí mismo como ocurre por ejemplo con los fotones “virtuales”. Los gravitones no podrían ir por ahí rebotando y rebotando para cubrir cualquier tamaño.
En relidad, tampoco entiendo que las ondas gravitacionales sean las que generen los elementos responsables de la gravedad (Gravitones).

No me refería a “efecto” en ese sentido sino a causas globales directas de la gravedad. La consideración de campo en este caso es engañosa. Densidad variable en dimensiones propiamente hablando, crecientes o decrecientes.
En la cuarta pregunta me refería a que si las dimensiones del “vacio” son innumerables, crecientes o decrecientes, su número de partículas tambien lo es, y si en lugar de unos elementos específicos para la gravedad, todos los del vacío presionan entre sí y contra el resto (Expansión), no habrá nada que se llame gravitón de forma específica. Interferirán según sus dimensiones.

Miguel L.Miguel L.

Francisco.
A modo de pregunta, seria conveniente considerar al graviton relacionado a la materia oscura de la misma forma que el foton a la materia barionica? . De esta forma se puede admitir que el graviton y el foton interaccionan de la misma forma que interaccionan la materia oscura con la materia barionica.
La deformación del espaciotiempo registrada por el experimento LIGO acaso no es interaccion de un “pulso” de gravitones sobre fotones “en fase”?
La indetectabilidad de la materia oscura implica la indetectabilidad del graviton.
Saludos.

Francisco R. Villatoro

Miguel, no entiendo tu pregunta, en la que mezclas cosas sin ton ni son. Además, realizas afirmaciones que son falsas. Quizás te convendría estudiar un poco de física antes de realizar afirmaciones falsas.

El fotón interacciona con todas las partículas que tienen carga eléctrica (es decir, que están acopladas al campo electromagnético) y el gravitón interacciona con todas las partículas que tienen energía y momento lineal (es decir, que están acopladas con el campo gravitacional). La materia oscura puede estar formada por partículas que no interaccionan con el fotón (partículas neutras o sin carga eléctrica) o que interacccionan extremadamente poco con el fotón (partículas como el axión). Como es obvio, todas las partículas tienen energía y momento lineal, por tanto, todas las partículas, tanto de materia como de materia oscura, interaccionan con el gravitón, incluso el fotón o el propio gravitón.

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