Astronomía de ondas gravitacionales

La astronomía de ondas gravitacionales  es una rama de la astronomía que estudia los objetos espaciales estudiando su radiación gravitacional registrando su efecto directo en los detectores de ondas gravitacionales [3] . Es un campo de rápido crecimiento de la astronomía observacional que utiliza ondas gravitacionales (las diminutas deformaciones en el espacio-tiempo predichas por la teoría general de la relatividad de Einstein ) para recopilar datos sobre objetos como estrellas de neutrones y agujeros negros , eventos como explosiones de supernovas y varios procesos. , incluidas las propiedades del universo primitivo poco después del Big Bang [3] .

La base teórica de las ondas gravitacionales se basa en la teoría de la relatividad. Fueron predichos por primera vez por Einstein en 1916 ; su existencia se deriva de la teoría general de la relatividad, aparecen en todas las teorías de la gravedad, que están sujetas a la teoría especial de la relatividad [4] . La confirmación indirecta de su existencia apareció por primera vez en 1974 después de las mediciones del sistema binario Hulse-Taylor PSR B1913+16 , cuya órbita cambió exactamente como lo predijo la teoría de las ondas gravitacionales [5] . Russell Hulse y Joseph Taylor recibieron el Premio Nobel de Física de 1993 por este descubrimiento [6] . Posteriormente, los científicos observaron muchos púlsares en sistemas binarios (incluido un sistema de púlsares binarios PSR J0737-3039 ), y el comportamiento de todos ellos era consistente con la teoría de las ondas gravitacionales [7] .

El 11 de febrero de 2016, se anunció que LIGO había observado directamente ondas gravitacionales por primera vez en septiembre de 2015 [8] [9] [10] .

Por la detección experimental de ondas gravitacionales en 2017, se otorgó el Premio Nobel de Física a los científicos Barry Barish , Kip Thorne y Rainer Weiss [11] [12] .

Observaciones

La frecuencia de las ondas gravitacionales suele ser muy baja, tales ondas son bastante difíciles de detectar. Las ondas con frecuencias más altas ocurren durante eventos más dramáticos, lo que las convierte en las primeras ondas observadas.

Altas frecuencias

En 2015-2016, el proyecto LIGO por primera vez en la historia observó directamente ondas gravitacionales utilizando interferómetros láser [13] [14] . Los detectores LIGO detectaron ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros de masa estelar , en consonancia con las predicciones de la relatividad general . Estas observaciones mostraron la existencia de sistemas binarios de agujeros negros de masa estelar y fueron la primera detección directa de ondas gravitacionales y la primera observación del proceso de fusión de un sistema binario de agujeros negros [15] . Este descubrimiento ha sido calificado como revolucionario para la ciencia, ya que estableció la posibilidad de utilizar la astronomía de ondas gravitacionales para investigar la materia oscura y el Big Bang .

Varias colaboraciones científicas se dedican a la observación de ondas gravitacionales . Construyó una red mundial de detectores terrestres, interferómetros láser kilométricos , que incluyen: Observatorio de ondas gravitacionales interferométricas láser (LIGO), un proyecto conjunto del Instituto de Tecnología de Massachusetts , Caltech y científicos de la Colaboración científica LIGOcon detectores en Livingston, Louisiana y el sitio del Complejo Hanford ; Virgo , en el Observatorio Gravitacional Europeo, en el municipio de Cascina cerca de Pisa en Italia ; GEO600 en Sarstedt , cerca de Hannover en Alemania , y KAGRA , administrado por la Universidad de Tokio en el Observatorio Kamioka., en la mina subterránea Mozumi en la sección Kamioka de la ciudad de Hida en la prefectura de Gifu en Japón . LIGO y Virgo se actualizarán en 2016 . El detector LIGO mejorado comenzó a observar en 2015 y detectó ondas gravitacionales antes de alcanzar su máxima sensibilidad; Se espera que el detector Virgo mejorado comience a observar en 2016 . La modernización del detector KAGRA está prevista para 2018 . El GEO600 está operativo actualmente, pero su sensibilidad hace que la detección de ondas sea poco probable; su tarea principal es probar la tecnología.

Bajas frecuencias

Asimismo, la observación de ondas gravitacionales se lleva a cabo utilizando la temporización de matrices de púlsares.. Es utilizado por tres consorcios: EPTA (Europa), el Observatorio de ondas gravitacionales de nanohercios de América del Norte (NANOGrav) y PPTA ( Parkes Pulsar Timing Array ) en el Observatorio de Parkes (Australia) [16] ; todos juntos cooperan en el marco del IPTA. Esta tecnología utiliza radiotelescopios convencionales, pero dado que son sensibles a frecuencias en el rango de los nanohercios y la sensibilidad del detector mejora gradualmente, lleva muchos años detectar una señal. Las estimaciones actuales se acercan a las esperadas para las fuentes astrofísicas [17] .

Rango medio

En el futuro, existe la posibilidad de utilizar detectores espaciales. La Agencia Espacial Europea ha seleccionado la misión de ondas gravitacionales como la misión L3, con lanzamiento en 2034, siendo el concepto actual la Antena Espacial Interferométrica Láser  (eLISA) [18] . El proyecto japonés DECIGO está en desarrollo(interferómetro de ondas gravitacionales en el rango de los decihercios).

Potencial científico

La astronomía se ha basado tradicionalmente en la radiación electromagnética, comenzando con la luz visible y, a medida que la tecnología ha avanzado, asumiendo otras partes del espectro electromagnético , desde la emisión de radio hasta los rayos gamma . Cada nueva banda de frecuencia ofrecía una nueva visión del Universo y presagiaba nuevos descubrimientos [19] . A finales del siglo XX, el registro de neutrinos solares creó una nueva rama de la astronomía de neutrinos , que da una idea de fenómenos antes inaccesibles para los investigadores, como los procesos internos del Sol [20] [21] . De manera similar, las ondas gravitacionales brindan a los científicos una nueva herramienta para realizar observaciones astrofísicas.

La base teórica de la astronomía de ondas gravitacionales es la teoría general de la relatividad [22] . Las ondas gravitacionales permiten obtener información adicional a la obtenida por otros medios. Combinando observaciones del mismo evento usando diferentes medios, se puede obtener una imagen más completa de las propiedades de la fuente. Las ondas gravitacionales se pueden utilizar para observar sistemas que son invisibles (o casi imposibles de detectar) por cualquier otro medio, por ejemplo, proporcionan un método único para estudiar las propiedades de los agujeros negros.

Gracias a los modernos detectores de ondas gravitacionales que funcionan a frecuencias de 1 kHz, es posible estudiar el estado del Universo después del Big Bang a una temperatura GeV , que es mucho más alta que las energías a las que los aceleradores modernos pueden acelerar partículas elementales [3] [22] .

Muchos sistemas emiten ondas gravitacionales, pero para crear una señal que pueda detectarse, la fuente debe consistir en objetos muy masivos que se mueven a una velocidad cercana a la de la luz . La principal fuente de ondas gravitacionales son los sistemas binarios de dos objetos compactos . Ejemplos de tales sistemas:

• Sistemas binarios compactos de dos objetos de masa estelar que orbitan juntos, como enanas blancas , estrellas de neutrones o agujeros negros . Los binarios más amplios, que tienen frecuencias orbitales más bajas, son la fuente de detectores como LISA [23] [24] . Los binarios densos proporcionan una señal para detectores terrestres como LIGO [25] . Los detectores terrestres son capaces de detectar sistemas binarios que contienen un agujero negro de masa intermedia o varios cientos de masas solares [26] [27] .
• Sistemas binarios de agujeros negros supermasivos , que consisten en dos agujeros negros con masas 10 5 −10 9 masas solares . Los agujeros negros supermasivos se encuentran en el centro de las galaxias. Cuando las galaxias se fusionan, presumiblemente también se fusionan sus agujeros negros supermasivos centrales [28] . Son potencialmente las fuentes de ondas gravitacionales más poderosas. Los sistemas binarios más masivos son la fuente de los detectores PTA (matriz de sincronización de pulsos)[ ¿Qué? ] [29] . Los sistemas binarios menos masivos (alrededor de un millón de masas solares) son la fuente de detectores espaciales como LISA [30] .
• Sistemas con una relación de masa extremadamente alta, que consisten en un agujero negro supermasivo y un objeto de masa estelar compacta que lo orbita. Son fuentes para detectores como LISA [30] . Los sistemas con una alta excentricidad orbital crean un estallido de radiación gravitatoria durante el paso por el periapsis [31] . Los sistemas con órbitas casi circulares que se espera observar al final de un encuentro orbital emiten un espectro continuo dentro del ancho de banda del detector LISA [32] . El enfoque orbital de los sistemas con una gran relación de masas se puede observar en muchas órbitas. Por ello, reflejan perfectamente las características de la geometría del espacio-tiempo circundante y permiten comprobar la precisión de la relatividad general [33] .

Además de los sistemas binarios, existen otras fuentes potenciales:

• Las supernovas generan ráfagas de ondas gravitacionales de alta frecuencia que LIGO o Virgo [34] pueden detectar .
• Las estrellas de neutrones en rotación con asimetría axial son una fuente de ondas continuas de alta frecuencia [35] [36] .
• Procesos en el Universo primitivo como la inflación o la transición de fase [37] .
• Las cuerdas cósmicas , si existen, también pueden producir radiación gravitatoria [38] . La detección de estas ondas gravitacionales confirmará la existencia de cuerdas cósmicas.

Las ondas gravitacionales interactúan débilmente con la materia. Por lo tanto, son difíciles de detectar y, por lo tanto, pueden viajar libremente por el universo sin ser absorbidos o dispersados ​​como ondas de radiación electromagnética. Así, con la ayuda de las ondas gravitacionales, se puede ver el centro de los sistemas densos: el núcleo de una supernova o el centro galáctico . Y también eventos más distantes en el tiempo que cuando se usa radiación electromagnética, ya que el Universo primitivo antes de la recombinación era opaco a la luz, pero transparente a las ondas gravitacionales.

La capacidad de las ondas gravitacionales para atravesar libremente la materia también significa que los detectores de ondas gravitacionales , a diferencia de los telescopios convencionales , no se limitan al campo de visión , sino que observan todo el cielo. Sin embargo, los detectores tienen una sensibilidad limitada, razón por la cual, entre otras cosas, se combinan en una red de detectores [39] .

Durante la inflación cósmica

Se suponía que la inflación cósmica , el período hipotético de rápida expansión del universo en los primeros 10-36 segundos después del Big Bang , era la fuente de las ondas gravitacionales; deberían haber dejado un rastro característico en la polarización del fondo cósmico de microondas [40] [41] [22] . Las mediciones de microondas se pueden usar para calcular las propiedades de las ondas gravitacionales primordiales y usar estos datos para aprender más sobre el universo primitivo [42] .

Desarrollo

Como un campo de investigación joven, la astronomía de ondas gravitacionales está en su infancia; sin embargo, existe un consenso en la comunidad astrofísica de que esta industria continuará evolucionando y se convertirá en una parte integral de la astronomía multicanal en el siglo XXI. Las observaciones de ondas gravitacionales complementan las observaciones del espectro electromagnético [43] [44] . Estas ondas prometen proporcionar información que no se puede obtener a través de ondas electromagnéticas. Las ondas electromagnéticas se distorsionan en su camino: se absorben y se vuelven a emitir, lo que complica el proceso de obtención de información sobre la fuente. Las ondas gravitacionales, por el contrario, interactúan débilmente con la materia y, por lo tanto, no se dispersan ni se absorben. Esta función permitirá a los astrónomos observar de nuevo el centro de una supernova, una nebulosa estelar e incluso colisiones de núcleos galácticos.

Los detectores de ondas gravitacionales basados ​​en tierra han proporcionado nuevos datos sobre la fase de encuentro orbital y sobre fusiones de agujeros negros de masa estelar binaria , y sobre sistemas binarios que consisten en uno de esos agujeros negros y una estrella de neutrones (que también debería producir estallidos de rayos gamma ) . También pueden detectar señales del colapso del núcleo de la supernova y de fuentes periódicas como púlsares de baja deformación. Si la hipótesis sobre ciertos tipos de transiciones de fase o ráfagas de vórtices de largas cuerdas cósmicas en el Universo primitivo ( alrededor de 10-25 segundos en el tiempo cósmico ) es correcta, entonces también se pueden detectar [45] . Los detectores cósmicos como LISA necesitarán detectar sistemas binarios de enanas blancas como AM Hounds of the Dogs (donde la materia pobre en hidrógeno se acumula desde una estrella compacta de helio de baja masa a una enana blanca ), y también podrán observar la fusión de agujeros negros supermasivos y el acercamiento orbital de pequeños objetos (entre una y miles de masas solares ) en dichos agujeros negros. LISA podrá recibir señales de las mismas fuentes del Universo primitivo que los detectores terrestres, pero a frecuencias más bajas y con una sensibilidad mucho mayor [46] .

La detección de ondas gravitacionales emitidas es una tarea difícil. Incluye la creación de láseres ultraestables de alta calidad y detectores calibrados con una sensibilidad de al menos 2·10 −22 Hz −1/2 como se muestra en el detector terrestre, GEO600 [47] . Además, se demostró que incluso como resultado de grandes eventos astronómicos, como explosiones de supernovas, las ondas gravitacionales pueden decaer en vibraciones extremadamente pequeñas con una amplitud del diámetro de un átomo [48] .

Notas

1. ↑ Peters, P. . Radiación gravitacional de masas puntuales en una órbita kepleriana (1963), págs. 435–440.
2. ↑ Peters, P. . Radiación gravitacional y movimiento de dos masas puntuales (1964), págs. B1224–B1232.
3. ↑ 1 2 3 M. V. Sazhin Cosmología moderna en una presentación popular. - M.: Editorial URSS, 2002. - ISBN 5-354-00012-2  - Circulación 2500 ejemplares. - S. 130-133.
4. ↑ Schutz, Bernard F. . Ondas gravitacionales en el reverso de un sobre (1984), p.412.
5. ↑ Hulse, R. A. . Descubrimiento de un púlsar en un sistema binario (1975), página L51.
6. ↑ El Premio Nobel de Física 1993 . Fundación Noble. Consultado el 3 de mayo de 2014. Archivado desde el original el 14 de octubre de 2013. (indefinido)
7. ↑ Escaleras, Ingrid H. . Testing General Relativity with Pulsar Timing (2003), página 5.
8. ↑ Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger , página 061102. Archivado desde el original el 11 de febrero de 2016. Consultado el 26 de junio de 2020.
9. ↑ Castelvecchi, Davide . Las ondas gravitacionales de Einstein encontradas por fin  (11 de febrero de 2016). Archivado desde el original el 12 de febrero de 2016. Consultado el 11 de febrero de 2016.
10. ↑ El Consejo Editorial . The Chirp Heard Across the Universe , New York Times  (16 de febrero de 2016). Archivado desde el original el 31 de marzo de 2019. Consultado el 16 de febrero de 2016.
11. ↑ El Premio Nobel de Física 2017 . www.premionobel.org. Consultado el 4 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 12 de agosto de 2018. (indefinido)
12. ↑ Vyacheslav Nedogonov El universo es un globo con un bolígrafo Copia de archivo fechada el 13 de octubre de 2017 en Wayback Machine // Novaya Gazeta . - 2017. - Nº 114. - 13/10/2017 - S. 18 - 19
13. ↑ Adiós, Dennis . Los físicos detectan ondas gravitacionales y demuestran que Einstein tiene razón , New York Times  (11 de febrero de 2016). Archivado desde el original el 11 de febrero de 2016. Consultado el 11 de febrero de 2016.
14. ↑ Krauss, Lawrence . Finding Beauty in the Darkness , New York Times  (11 de febrero de 2016). Archivado desde el original el 12 de abril de 2019. Consultado el 11 de febrero de 2016.
15. ↑ Abbott, B. P. . Observación de ondas gravitacionales de una fusión binaria de agujeros negros  (  11 de febrero de 2016).
16. ↑ Los físicos han encontrado un "reloj" universal en el espacio: son más precisos que los atómicos // hightech.fm, 14 de julio de 2022
17. ↑ Sesana, A. . Investigación sistemática de la señal de onda gravitacional esperada de binarios de agujeros negros supermasivos en la banda de tiempo del púlsar (22 de mayo de 2013), págs. L1–L5.
18. ↑ La nueva visión de la ESA para estudiar el universo invisible . ESA. Consultado el 29 de noviembre de 2013. Archivado desde el original el 14 de octubre de 2018. (indefinido)
19. ↑ Longair, Malcolm. Siglo cósmico: una historia de la astrofísica y la cosmología  (inglés) . - Prensa de la Universidad de Cambridge , 2012. - ISBN 1107669367 .
20. ↑ Bahcall, John N. Neutrino Astrofísica . - Reimpreso.. - Cambridge: Cambridge University Press , 1989. - ISBN 052137975X .
21. ↑ Bahcall, John Cómo brilla el sol . Premio Nobel (9 de junio de 2000). Consultado el 10 de mayo de 2014. Archivado desde el original el 20 de abril de 2014. (indefinido)
22. ↑ 1 2 3 Grischuk L. P. Astronomía de ondas gravitacionales // Colección Einstein 1986-1990. - M., Nauka, 1990. - pág. 329-350
23. ↑ Nelemans, Gijs . El primer plano de la onda gravitacional galáctica (7 de mayo de 2009), página 094030.
24. ↑ Stroer, A. Los binarios de verificación de LISA (7 de octubre de 2006), págs. S809–S817.
25. ↑ Abadie, J. Predicciones para las tasas de coalescencias binarias compactas observables por detectores de ondas gravitacionales terrestres (7 de septiembre de 2010), página 173001.
26. ↑ Medición de binarios de agujeros negros de masa intermedia con detectores avanzados de ondas gravitacionales . Grupo de Física Gravitacional . Universidad de Birmingham. Consultado el 28 de noviembre de 2015. Archivado desde el original el 6 de septiembre de 2018. (indefinido)
27. ↑ Observando las colisiones invisibles de agujeros negros de masa intermedia . Colaboración científica LIGO . Consultado el 28 de noviembre de 2015. Archivado desde el original el 12 de febrero de 2019. (indefinido)
28. ↑ Volonteri, Marta . The Assembly and Merging History of Supermassive Black Holes in Hierarchical Models of Galaxy Formation (10 de enero de 2003), págs. 559–573.
29. ↑ Sesana, A. . El fondo estocástico de ondas gravitacionales de los sistemas binarios de agujeros negros masivos: implicaciones para las observaciones con Pulsar Timing Arrays (11 de octubre de 2008), págs. 192–209.
30. ↑ 12 Amaro -Seoane, Pau . Ciencia de ondas gravitacionales de baja frecuencia con eLISA/NGO (21 de junio de 2012), página 124016.
31. ↑ Berry, CPL Observando el agujero negro masivo de la galaxia con estallidos de ondas gravitacionales (12 de diciembre de 2012), págs. 589–612.
32. ↑ Amaro-Seoane, Pau . Inspirales de relación de masa intermedia y extrema: astrofísica, aplicaciones científicas y detección mediante LISA (7 de septiembre de 2007), págs. R113–R169.
33. ↑ Gair, Jonathan . Prueba de la relatividad general con detectores de ondas gravitacionales basados ​​en el espacio de baja frecuencia (2013), página 7.
34. ↑ Kotake, Kei . Mecanismo de explosión, estallido de neutrinos y onda gravitacional en supernovas con colapso del núcleo (1 de abril de 2006), págs. 971–1143.
35. ↑ Abbot, B. . Búsquedas de ondas gravitacionales periódicas de fuentes aisladas desconocidas y Scorpius X-1: resultados de la segunda ejecución científica de LIGO (2007), página 082001.
36. ↑ Buscando las estrellas de neutrones más jóvenes de la galaxia . Colaboración científica LIGO . Consultado el 28 de noviembre de 2015. Archivado desde el original el 12 de febrero de 2019. (indefinido)
37. ↑ Binétruy, Pierre . Antecedentes cosmológicos de ondas gravitacionales y eLISA/ONG: transiciones de fase, cuerdas cósmicas y otras fuentes (13 de junio de 2012), págs. 027–027.
38. ↑ Damur, Thibault . Radiación gravitacional de (super)cuerdas cósmicas: ráfagas, fondo estocástico y ventanas de observación (2005), página 063510.
39. ↑ Schutz, Bernard F. Redes de detectores de ondas gravitacionales y tres cifras de mérito (21 de junio de 2011), p.125023.
40. ↑ Hu, Wayne . Una cartilla de polarización CMB (1997), págs. 323–344.
41. ↑ Kamionkowski, Marc . Estadísticas de la polarización del fondo de microondas cósmico (1997), págs. 7368–7388.
42. ↑ Boris Stern , Valery Rubakov . Astrofísica. Opción Trinidad. - M., AST, 2020. - pág. 116-131
43. ↑ Looking for the Afterglow: The LIGO Perspective  (septiembre de 2015), página 10. Archivado desde el original el 17 de noviembre de 2015. Consultado el 28 de noviembre de 2015.
44. ↑ PLANIFICACIÓN PARA UN MAÑANA BRILLANTE: PERSPECTIVAS PARA LA ASTRONOMÍA DE ONDAS GRAVITACIONALES CON LIGO AVANZADO Y VIRGO AVANZADO . Colaboración científica LIGO . Consultado el 31 de diciembre de 2015. Archivado desde el original el 26 de diciembre de 2018. (indefinido)
45. ↑ Cutler & Thorne, 2002 , sec. 2.
46. ↑ Cutler & Thorne, 2002 , sec. 3.
47. ↑ Véase Seifert F., et al., 2006 , sec. 5.
48. ↑ Ver Golm & Potsdam, 2013 , sec. cuatro

Literatura

• Cuchillero, Curt; Thorne, Kip S. Una descripción general de las fuentes de ondas gravitacionales // Actas de la 16ª Conferencia Internacional sobre Relatividad General y Gravitación (GR16). - World Scientific , 2002. - P. 4090. - ISBN 981-238-171-6 . -arXiv : gr - qc/0204090 . - .
• Astronomía de Ondas Gravitacionales , Instituto Max Planck de Física Gravitacional , < http://www.einstein-online.info/elementary/gravWav > . Consultado el 24 de enero de 2013. 
• Seifert, F., Kwee, P., Heurs, M., Willke, B. y Danzmann, K. Estabilización de potencia láser para detectores de ondas gravitacionales de segunda generación // Letras ópticas. - 2006. - T. 31, N° 13. - S. 2000-2002. -doi : 10.1364/ OL.31.002000 . —PMID 16770412 . _

Enlaces

•  Colaboración científica LIGO
• AstroGravS: Archivo de  fuentes de ondas gravitacionales astrofísicas
• Video (4:36) - Detección de una onda gravitacional , Dennis Overby , New York Times (11 de febrero de 2016)  (ing.)
• Video (71:29) - Conferencia de prensa anuncia descubrimiento: "LIGO Detects Gravitational Waves" , National Science Foundation (11 de febrero de 2016  )