¿Cuál es el origen de las ondas gravitacionales?

Todas estas respuestas brillantes son correctas (al menos que yo sepa … y mi conocimiento de mi ignorancia:)

Pero un laico estaría interesado en la siguiente respuesta más simple.

En el momento en que introduce el concepto de onda, está midiendo el cambio de un fenómeno. En algunos casos, se mide el desplazamiento, como en una ola de agua; en otros casos, mide las diferencias de presión, como en una onda de sonido.

En investigaciones adicionales, crea un dispositivo que es sensible a una cierta fuerza / desplazamiento y lo establece como una ‘trampa’.

Eso es LIGO.

Sabemos que la gravedad afecta a la luz, nos lo dicen Einstein y otros. También suponemos que la gravedad “viaja”, por lo que es lógico que viaje en ondas, al igual que todas las demás formas de energía. ¡Tenia que ser! (¡No me sujete a esto, precisamente …! – es una declaración general …)

Entonces, todo lo que necesitamos es un método para detectar los cambios. Eso se hace en LIGO midiendo dos haces diferentes de luz láser …

Si tenemos suerte, ocurrirá un evento estupendo en algún lugar y causará ondas de gravedad que se destacan del fondo.

¿El origen? Cualquier interacción entre diferentes objetos de masa. Pero la gravedad es tan débil (como se señaló) que solo podemos observar una onda propagada creada por un gran evento; Una colisión de dos agujeros negros es la mejor apuesta.

Déjame volver a responder. Una onda de gravedad es una perturbación en el tiempo / espacio; enviado desde el sitio de objetos interactivos que tienen masa. Si arrojas una piedra a un lago, obtienes olas … Algo perturba el agua.

Cada colección de objetos * provoca cambios en el campo de gravedad circundante (los llamamos ondas de gravedad).

Ahora, lo curioso … para el profano, es que cualquier objeto en movimiento (ver * a continuación) emite cambios gravitacionales …

*Prueba esto. Un universo con solo dos objetos … estarán orbitando entre sí … el par irradiará energía gravitacional, disminuyendo la velocidad orbital.

* Prueba esto: un objeto en el universo … (esto es más difícil …). Teóricamente, se supone que está girando y emitirá energía gravitacional, disminuyendo la velocidad. Un aparte: hay muchas reflexiones metafísicas en este último experimento mental. Se trata de la relatividad; no la relatividad de Einstein, sino la necesidad de otra masa / energía en el universo para poder describir el estado de un objeto. Abusar …

Advertencia: esta respuesta contiene muchas matemáticas horribles. No te preocupes si no lo entiendes: ¡la conclusión al final debería ser bastante manejable!

Las matemáticas de las ondas gravitacionales surgen muy bien del límite de campo débil de la relatividad general: existen interacciones fuertes, pero solo se pueden tratar con métodos numéricos y una supercomputadora o dos.

Por lo tanto, me concentraré en las ondas gravitacionales de campo débil.

En tal caso, podemos dejar que la métrica espacio-tiempo sea una pequeña perturbación del espacio-tiempo plano de la relatividad especial:

[matemáticas] g _ {\ mu \ nu} = \ eta _ {\ mu \ nu} + h _ {\ mu \ nu} [/ matemáticas]

Donde [matemáticas] h _ {\ mu \ nu} \ ll 1 [/ matemáticas]

(Consulte ¿Qué significa [matemáticas] g_ {μν} = η_ {μν} + h_ {μν} [/ matemáticas] para obtener más información sobre esto)

En tal caso, podemos aproximar las Ecuaciones de campo de Einstein, que normalmente toman la forma (bastante intratable):

[matemáticas] R _ {\ mu \ nu} – \ frac {1} {2} g _ {\ mu \ nu} R = – \ frac {8 \ pi G} {c ^ 4} T _ {\ mu \ nu} [ /matemáticas]

Sin embargo, en este pequeño límite [matemático] h [/ matemático], podemos descartar muchos términos, lo que nos deja con:

[matemáticas] \ frac {\ partial ^ 2 h} {\ partial x ^ \ mu \ partial x ^ \ nu} – \ frac {\ partial ^ 2 h ^ \ lambda_ \ mu} {\ partial x ^ \ lambda \ partial x ^ \ nu} – \ frac {\ partial ^ 2 h ^ \ lambda_ \ nu} {\ partial x ^ \ lambda \ partial x ^ \ mu} + \ square h _ {\ mu \ nu} – \ eta _ {\ mu \ nu} \ left (\ square h – \ frac {\ partial ^ 2 h ^ {\ lambda \ rho}} {\ partial x ^ \ lambda \ partial x ^ \ rho} \ right) = – \ frac {16 \ pi G} {c ^ 4} T _ {\ mu \ nu} [/ math]

Usando la convención de suma de Einstein, y [math] \ square [/ math] para representar el operador d’Alembertian [math] \ square = – \ frac {\ partial ^ 2} {\ partial c ^ 2t ^ 2} + \ nabla ^ 2 [/ matemáticas]

Jajaja, ¿dije que esta era la mejor forma?

Se paciente.

Bueno, se puede reducir aún más, introduciendo la cantidad similar a Bianchi:

[matemáticas] \ bar {h} _ {\ mu \ nu} = h _ {\ mu \ nu} – \ frac {\ eta _ {\ mu \ nu}} {2} h [/ matemáticas]

Lo que simplifica este desastre a:

[matemáticas] \ square \ bar {h} _ {\ mu \ nu} – \ frac {\ partial ^ 2 \ bar {h} _ \ mu ^ \ lambda} {\ partial x ^ \ nu \ partial x ^ \ lambda } – \ frac {\ partial ^ 2 \ bar {h} _ \ nu ^ \ lambda} {\ partial x ^ \ mu \ partial x ^ \ lambda} + \ eta _ {\ mu \ nu} \ frac {\ partial ^ 2 \ bar {h} ^ {\ lambda \ rho}} {\ parcial x ^ \ rho \ parcial x ^ \ lambda} = – \ frac {16 \ pi G} {c ^ 4} T _ {\ mu \ nu} [/matemáticas]

Hmmm

Todavía no muy simplificado.

Sin embargo

Hay un truco, que es exactamente análogo a la elección del indicador de Lorenz en el electromagnetismo.

Notamos que podemos realizar transformaciones de coordenadas infinitesimales

[matemáticas] h ‘_ {\ mu \ nu} = h _ {\ mu \ nu} – \ frac {\ partial \ xi_ \ nu} {\ partial x ^ \ mu} – – \ frac {\ partial \ xi_ \ mu } {\ parcial x ^ \ nu} [/ matemáticas]

¡Y que estos dejan la forma de las ecuaciones sin cambios!

Por lo tanto, si dejamos:

[matemática] \ cuadrado \ xi_ \ nu = \ frac {\ partial \ bar {h} _ \ nu ^ \ mu} {\ parcial x ^ \ mu} [/ matemática]

Entonces cada término menos uno se desvanece .

Esto se llama “elegir el Indicador Armónico”, y simplifica enormemente las matemáticas, sin cambiar el sistema físico que representamos.

Por lo tanto, las ecuaciones de campo de Einstein, en el límite de campo débil, y utilizando el medidor armónico, se convierten en:

[matemáticas] \ boxed {\ square \ bar {h} _ {\ mu \ nu} = – \ frac {16 \ pi G} {c ^ 4} T _ {\ mu \ nu}} [/ math]

Ahora.

Eso fue un montón de repugnantes matemáticas.

Sin embargo.

Si ha hecho alguna mecánica de onda antes, entonces sin duda recuerda la ecuación de onda para una onda no conducida:

[matemáticas] \ frac {1} {c ^ 2} \ frac {\ partial \ vec {u}} {\ partial t ^ 2} = \ nabla ^ 2 \ vec {u} [/ math]

Que es … ¡simplemente el operador de Alembertian!

[matemáticas] \ cuadrado \ vec {u} = 0 [/ matemáticas]

Si incluimos el hecho de que nuestro sistema puede ser impulsado por fuerzas externas, la ecuación de onda puede reescribirse como:

[matemáticas] \ cuadrado \ vec {u} = f_ {fuente} (\ vec {x}, t) [/ matemáticas]

Donde el lado derecho es la “cosa que hace que se emitan las ondas”, conocido como el “término fuente”.

El límite de campo débil Las ecuaciones de campo de Einstein producen una solución que tiene exactamente la misma forma que la ecuación que describe las ondas de propagación.

Lo que está experimentando el movimiento ondulatorio (el bit de la izquierda) es la métrica del espacio-tiempo en sí.

Lo que causa estas ondas es el bit de la derecha: [matemáticas] T _ {\ mu \ nu} [/ matemáticas], un objeto conocido como el “tensor de energía de estrés”, que describe dónde está toda la materia y la energía. En el universo.

Y, de hecho, la solución a esta ecuación lejos de la materia (es decir, donde [matemáticas] T _ {\ mu \ nu} = 0 [/ matemáticas]) es (más bien simplemente):

[matemáticas] \ boxed {\ bar {h} = e _ {\ mu \ nu} A e ^ {i (\ omega t – \ vec {k} \ cdot \ vec {x})}} [/ math]

Esta es una onda gravitacional, y surge simplemente del límite de campo débil aplicado a las Ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general.

¡Uf!

Por lo tanto, podemos responder a su pregunta de varias maneras: “el origen” de los campos es, como dijimos, el término fuente [math] T _ {\ mu \ nu} [/ math]. Por lo tanto, la “cosa física que hace que surjan” es solo masa y energía.

Pero la derivación matemática de su existencia es exactamente como la he bosquejado aquí.

La relatividad de Einstein obviamente

Es un escenario simple. ¿ Imagínese qué pasa si nuestro sol desaparece repentinamente?
Entonces, ¿la Tierra todavía orbitaría en la misma ubicación de sol?
¿O sería arrojado inmediatamente como un tirachinas?

El escenario de tirachinas probablemente sucedería. Pero Einstein afirma que nada podría ser más rápido que la luz. Entonces, cuando el sol desaparece, la tierra no debe reaccionar de inmediato. Porque la tierra no debería saber que el sol desaparecería más rápido que la luz. ¿Derecho?

Si tiene razón, entonces la señal de que la gravedad cambió a partir de la desaparición del sol, deja que la gravedad sea una fuerza o curva de espacio-tiempo, viajaría desde la superficie del sol hacia nosotros en menos o igual a la velocidad de la luz

Entonces, si el sol desaparece porque el cambio en la gravedad vendrá a nosotros como una onda, entonces cambiar la gravedad de cualquier manera debe ser una onda, ¿verdad? Y Einstein calcula que también sería la misma velocidad que la luz

Entonces podríamos probarlo mirando cualquier cosa en el cielo que tenga la posibilidad de causar un cambio masivo de gravedad. La fusión de agujeros negros, por ejemplo, podríamos detectar que el espacio era perturbador al mismo tiempo que vemos que sucede

Que Einstein tenía razón

Las ondas gravitacionales son el resultado de objetos masivos en movimiento a través del espacio. A medida que se mueven, la distorsión en la estructura del espacio que forma los campos gravitacionales se mueve con ella. Por otro lado, los gravitones son las partículas virtuales que son responsables de la fuerza gravitacional al igual que los fotones virtuales son responsables de la fuerza electromagnética. La pregunta es de qué están hechos los Gravitones. De acuerdo con los nuevos experimentos de pensamiento que se muestran a continuación, la estructura del espacio está hecha de Hexagon Loops de energía llamados Partículas Espaciales. Cuando diferentes campos gravitacionales interactúan entre sí, las cadenas de energía que hacen que las nubes de Partículas Espaciales comiencen a moverse entre los campos que interactúan y conducen a la creación de las atracciones gravitacionales.

ver el extracto a continuación:

11) La geometría de las partículas espaciales (SP) y la creación de la fuerza gravitacional.

¿Cómo explicamos la gravedad en los niveles micro y macro?

La búsqueda de una explicación del significado de la gravedad aún está en curso. Newton lo describió como una atracción gravitacional entre dos objetos en relación directa con su masa y en relación inversa a la distancia cuadrada entre ellos. Este tirón gravitacional se mide en términos del peso de los objetos. Un astronauta en el espacio no tendrá peso mientras que su masa sea la misma que en la tierra. Einstein, por otro lado, definió la gravedad como resultado de la distorsión en la curvatura del tejido del espacio-tiempo de acuerdo con su teoría general de la relatividad. Aún más recientes teorías de la gravedad explican el fenómeno en términos de partículas y ondas. La teoría de cuerdas establece que las partículas llamadas “gravitones” (nunca se han observado) hacen que los objetos se atraigan entre sí de manera similar al papel que juegan los fotones virtuales. Otras teorías hablan de la existencia de ondas gravitacionales generadas cuando un objeto es acelerado por una fuerza externa. De hecho, son ondas en la curvatura del espacio-tiempo generado debido a ciertas interacciones gravitacionales y se propagan como ondas hacia el exterior desde su fuente a la velocidad de la luz. La Teoría de Singularidades y Partículas Espaciales especula que las ondas gravitacionales transportan energía como radiación gravitacional, una forma de energía radiante similar a la radiación electromagnética. La existencia de ondas gravitacionales se confirmó en 2016.

La teoría de la gravedad cuántica de bucles combina la mecánica cuántica y la relatividad general. Es una teoría de unidades discretas cuantificadas de espacio-tiempo porque, según la relatividad general, la gravedad es una manifestación de la geometría del espacio-tiempo. Es el principal competidor de la teoría de cuerdas. El resultado principal de la teoría es una imagen física del espacio granular. La granularidad es una consecuencia directa de la cuantización. Aquí, es el espacio en sí lo que es discreto. En otras palabras, hay una distancia mínima posible para recorrerlo. Más precisamente, el espacio puede verse como una tela extremadamente fina o una red “tejida” de bucles finitos. Estas redes de bucles se denominan redes de espín. La evolución de una red de rotación a lo largo del tiempo se denomina espuma de rotación. El tamaño previsto de esta estructura es la longitud de Planck, que es aproximadamente de 10 a 35 metros. Según la teoría, la distancia a escalas más pequeñas que la escala de Planck no tiene sentido. Por lo tanto, la Teoría de Singularidades y Partículas Espaciales predice que no solo la materia, sino el espacio en sí, tiene una estructura atómica.

Por lo tanto, es seguro decir que nuestros experimentos de pensamiento con respecto a la existencia de SP están en línea con muchos aspectos de la gravedad cuántica de bucle. Al referirnos a la literatura anterior, podemos especular que la gravedad en el nivel micro no es más que la manifestación de la flexión y torsión de las partículas espaciales a medida que interactúan con las partículas de Fermion, en particular los Quarks debido a sus cargas no enteras. Como cada Quark tiene un total de seis hilanderos hechos de cargas positivas y negativas, sus 6 combinaciones y permutaciones diferentes (dentro del núcleo de cada Quark) son responsables de la creación del confinamiento de fuerza fuerte. La creación del confinamiento proporcionó la respuesta a las 6 dimensiones teóricas predichas por la teoría de la Cadena (M). A medida que se crean estas micro dimensiones, la contracción y la distorsión en la geometría hexagonal de las partículas espaciales se manifiestan como el cambio en la curvatura de la estructura del espacio a nivel subatómico, por lo tanto, la gravedad.

Usando esta línea de pensamiento, podemos concluir que la gravedad en el nivel macro no es más que la contracción acumulada y las distorsiones en la curvatura del tejido del espacio afectado por los átomos totales que componen la masa del objeto en cuestión. Esto es lo que hace que la gravedad entre dos objetos sea proporcional a su masa y en relación inversa con la distancia cuadrada entre ellos.

Hemos visto que todos los asuntos no son más que una manifestación de la excitación total de los campos de energía que penetran en el espacio-tiempo generado por las interacciones de las partículas de Fermion que forman los objetos con el SP relevante. Estas excitaciones del campo de energía son responsables de la creación de masa y también responsables de la curvatura del espacio-tiempo. Esta curvatura / distorsión se conoce como el campo gravitacional de masa. Entonces, las atracciones gravitacionales entre dos objetos existen cada vez que sus campos gravitacionales interactúan entre sí. Esta interacción lleva a que parte de la energía que forma los campos de excitación de las masas relevantes fluya entre ellas. Esta energía que fluye es lo que se denomina gravitones. Es responsable de las atracciones gravitacionales entre objetos de la misma manera que los fotones virtuales son responsables de las atracciones magnéticas. En cuanto a la creación de ondas gravitacionales, el movimiento de objetos masivos a una velocidad muy alta conduce a perturbaciones medibles en la estructura del espacio, ya que algunos SP vuelven a su geometría hexagonal, mientras que otros asumen el estado excitado requerido para la manifestación continua de la masa en movimiento Especulamos que la gravedad es la más débil de las 4 fuerzas debido a la ausencia de cualquier papel desempeñado por los hilanderos.

Si la gravedad está asociada con la existencia misma de átomos, es decir, la creación de la masa y el volumen observables, entonces es impensable neutralizar la gravedad. Sin gravedad, el polvo cósmico no se habría reunido para formar estrellas y planetas. Sin embargo, una pregunta sigue siendo válida. Si la gravedad es el resultado de la contracción / distorsión en la estructura del espacio, y si la atracción gravitacional es el flujo de gravitones, entonces es posible crear algún mecanismo para bloquear el movimiento de los gravitones o neutralizar las distorsiones en la curvatura de tejido del espacio

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Una vez que sepa cómo actúa el campo de una carga en movimiento, tiene sentido postular que el campo gravitacional de una masa en movimiento podría actuar de manera similar. El conocimiento del comportamiento de la carga en movimiento estaba tomando forma en el siglo XIX con las ecuaciones de Maxwell y, a medida que el siglo llegaba a su fin, la especulación sobre las ondas gravitacionales tomó forma en la mente de los expertos en electricidad como Heaviside. Poincare articuló la noción de una onda gravitacional en 1905 y se formó en su forma matemática final en 1915 cuando Hilbert y Einstein estrenaron la relatividad general. Einstein también trabajó estrechamente con su esposa hasta 1912. ¿Albert Einstein le robó el trabajo de relatividad a su esposa?

Se emite una onda electromagnética cuando una carga se acelera de alguna manera, como en la radiación sincrotrón de un haz de partículas cargadas doblado por un campo magnético. Un objeto acelerado también perdería energía a través de las ondas gravitatorias, pero debido a que la gravedad es patéticamente débil en comparación con el electromagnetismo, las escalas de tiempo y escalas de longitud sobre las cuales se puede medir este efecto son difíciles de acceder desde nuestro pequeño planeta. ¿Cuán creíble es este supuesto descubrimiento de ondas gravitacionales? . Esta historia es lo que motivó mi intuición en ¿Rotan todas las estrellas y planetas y cómo comenzó esa rotación? Concluí reconociendo que esta intuición necesita ser respaldada con teoría y simulaciones usando los potenciales de Lienard-Weichert y que debido a que la ecuación de Stokes-Navier es tan difícil de resolver, un resultado analítico simple está más allá del alcance actual para muchos sistemas que puede observar