Ondas gravitacionales
Las ondas gravitacionales son ondulaciones en la curvatura del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz, generadas por masas aceleradas como objetos compactos en órbita, y ahora detectadas directamente, abriendo una nueva ventana al universo.
Definition
Las ondas gravitacionales son perturbaciones transversales y propagantes de la métrica del espacio-tiempo, soluciones de las ecuaciones de Einstein linealizadas, que transportan energía y momento lejos de distribuciones de masa aceleradas y no esféricamente simétricas, y que estiran y comprimen las distancias entre masas de prueba en caída libre.
Scope
El área abarca la teoría de la radiación gravitacional: las ecuaciones de Einstein linealizadas y sus soluciones de onda, las dos polarizaciones transversales y el efecto de una onda que pasa sobre masas libres, la fórmula cuadrupolar para la emisión, las fuentes astrofísicas y las técnicas de interferómetro láser y de cronometraje de púlsares utilizadas para detectar ondas y leer las propiedades de sus fuentes.
Sub-topics
Core questions
- ¿Cómo predicen las ecuaciones de Einstein soluciones de tipo onda y a qué velocidad viajan?
- ¿Qué tipos de sistemas astrofísicos emiten ondas gravitacionales detectables?
- ¿Cómo se pueden medir distorsiones tan pequeñas del espacio-tiempo?
- ¿Qué nueva astrofísica se revela al detectar ondas gravitacionales?
Key concepts
- Ecuaciones de Einstein linealizadas
- Calibre transversal sin traza
- Dos polarizaciones (más y cruzada)
- Fórmula cuadrupolar
- Deformación
- Astronomía de mensajeros múltiples
Key theories
- Gravedad linealizada y soluciones de onda
- Expandir la métrica alrededor del espacio-tiempo plano y elegir un calibre adecuado reduce las ecuaciones de Einstein a una ecuación de onda, cuyas soluciones son ondas gravitacionales transversales, sin traza y con dos polarizaciones que viajan a la velocidad de la luz.
- Fórmula cuadrupolar
- En primera aproximación, la luminosidad de las ondas gravitacionales de una fuente está determinada por la tercera derivada temporal de su momento cuadrupolar de masa, por lo que solo las distribuciones de masa no esféricas y aceleradas irradian, y la emisión suele ser muy débil.
Clinical relevance
La astronomía de ondas gravitacionales se ha convertido en una ciencia observacional: las detecciones de agujeros negros y estrellas de neutrones en fusión ponen a prueba la relatividad general en el régimen dinámico de campo fuerte, miden las masas y los espines de objetos compactos, proporcionan una ruta independiente para la tasa de expansión del universo y, cuando se combinan con la luz, permiten estudios de mensajeros múltiples de explosiones cósmicas.
History
Einstein predijo las ondas gravitacionales en 1916 y durante mucho tiempo dudó de su realidad; la evidencia indirecta provino de la desintegración orbital del púlsar binario Hulse-Taylor en la década de 1970, y después de décadas de desarrollo de detectores, los interferómetros LIGO realizaron la primera detección directa de una fusión de agujeros negros en 2015, reconocida con el Premio Nobel de 2017.
Debates
- Realidad y energía de las ondas gravitacionales
- Durante décadas se debatió si las ondas gravitacionales eran físicas o puramente de calibre y si transportaban energía; el argumento de la cuenta pegajosa y las eventuales detecciones confirmaron que son reales y transportan energía, aunque persisten las sutilezas de la localización de la energía gravitacional.
Key figures
- Albert Einstein
- Joseph Weber
- Rainer Weiss
- Kip Thorne
- Barry Barish
Related topics
Seminal works
- einstein1916b
- abbott2016
Frequently asked questions
- ¿Qué hace físicamente una onda gravitacional a su paso?
- Alternativamente, estira el espacio en una dirección transversal mientras comprime la dirección perpendicular, cambiando la separación entre masas en caída libre en una pequeña cantidad fraccionaria; esta deformación oscilante es lo que los interferómetros están diseñados para medir.
- ¿Por qué son tan difíciles de detectar las ondas gravitacionales?
- La gravedad es extraordinariamente débil, por lo que incluso los eventos astrofísicos violentos producen deformaciones del orden de una parte en 10^21 en la Tierra, lo que requiere interferómetros de escala kilométrica estabilizados contra cada fuente de ruido competitiva para detectar cambios de distancia mucho más pequeños que el ancho de un protón.