¿Qué significaría el descubrimiento real de las ondas gravitacionales para la física y su desarrollo?

No creo que ningún físico dude seriamente de la existencia de ondas gravitacionales a pesar de que no se han observado directamente. (Hay rumores en Internet, pero todavía no hay nada concreto.) No creo que nadie se sorprenda cuando finalmente se observen. Incluso escuché a un profesor decir que si no somos capaces de detectar ondas gravitacionales con la última encarnación de LIGO , eso arrojará dudas sobre nuestra comprensión de la cosmología, y no sobre la existencia de ondas gravitacionales. Tal es la fe puesta en la relatividad general.

Para ser exactos, las ondas gravitacionales no son estrictamente una predicción de la relatividad general. Es la consecuencia necesaria de la idea (¿hecho?) Que las interacciones gravitacionales se propaguen con una velocidad finita. Entonces, cualquier teoría de la gravedad compatible con la relatividad especial tendrá como consecuencia ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales deben existir para que el universo sea causal.

Y tenemos evidencia indirecta extremadamente fuerte de que las ondas gravitacionales existen: la dinámica del inspirador binario de la estrella de neutrones PSR B1913 + 16 se predice con extrema precisión utilizando la relatividad general, donde el inspirador se explica por la pérdida de energía debida a la radiación gravitacional.

El campo que más se beneficiará del descubrimiento de las ondas gravitacionales es la astronomía. Vamos a obtener una ventana completamente nueva al universo, una que puede proporcionar información que no podemos obtener de las observaciones electromagnéticas. Algunos de los cuales son:

[SEGUIMIENTO DEL OPTIMISMO PRINCIPAL]

• Lo más lejos que podemos mirar hacia el pasado (a partir de ahora) es a través del fondo cósmico de microondas. Pero CMB proporciona información solo hasta el momento en que la materia se volvió lo suficientemente escasa como para desacoplarse de la radiación electromagnética. Dado que la gravedad interactúa mucho más débil con la materia, las ondas gravitacionales (si se produjeron durante el Big Bang) se habrían desacoplado de la materia mucho antes. Por lo tanto, este “fondo de onda gravitacional” (si existe) se puede utilizar para investigar el origen del universo.
• El mayor misterio en astrofísica hoy es la materia oscura. Hay dos teorías principales sobre la materia oscura: los objetos de halo masivos (MACHO, por sus siglas en inglés), pequeños agujeros negros y estrellas de neutrones frías y enanas blancas en el halo) y WIMPS (partículas masivas que interactúan débilmente). Si la materia oscura está hecha de MACHO, algunos de ellos estarán en binarios inspiradores que emiten ondas gravitacionales.
• Las explosiones de supernova son eventos poco conocidos. No hay forma de sondear el núcleo colapsando usando radiación EM porque toda la luz que recibimos proviene de la envoltura exterior de la estrella. Si el colapso del núcleo es asimétrico, se espera que sea una fuente de ondas gravitacionales. Los mecanismos internos de las supernovas se pueden sondear utilizando GW y neutrinos.
• Otra clase misteriosa de objetos son los eventos violentos conocidos como explosiones de rayos gamma. Poco se sabe sobre ellos, pero cualquier cosa tan salvaje como ellos (probablemente) emitirá una cantidad significativa de energía en GW.
• … y así.

Nota : Todo esto es más fácil decirlo que hacerlo. El caballo de batalla actual de la física GW, se espera que el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro de luz (LIGO) encuentre binarios inspiradores, que son la clase más simple de objetos que emiten ondas gravitacionales. El principal desafío es que los GW interactúan tan débilmente con el instrumento que cualquier señal que capte se incrustará profundamente en una inundación de ruido. Encontrar GW a partir de datos de LIGO (o cualquier otro instrumento) equivale básicamente a encontrar una aguja en un pajar. A menos que sepamos exactamente qué estamos buscando, no se puede encontrar. Sucede que no tenemos modelos lo suficientemente buenos para supernovas, etc., por lo que no podemos buscarlos. Las únicas clases de objetos con formas de onda GW conocidas son binarios inspiradores y púlsares verrugosos.

Probablemente tomará al menos varias décadas hasta que podamos lograr avances de observación significativos a través de observaciones de GW. A diferencia de la astronomía EMW, donde los mejores telescopios y detectores por sí solos pueden hacer maravillas, la astronomía GW requiere avances tanto en teoría como en tecnología debido al mencionado problema del pajar con agujas. Sin embargo, espero algunos descubrimientos emocionantes en mi vida (tengo 24 años). 😛

La respuesta rápida es: la detección de ondas gravitacionales requiere una instrumentación muy, MUY sensible que permite mediciones que antes simplemente no eran posibles. Como no experto, espero que la mayor parte del progreso provenga de inventar las herramientas que pueden detectar fenómenos tan sensibles.

El estado actual de la física hace un excelente trabajo al explicar los fenómenos que observamos desde las escalas de mayor longitud hasta las más cortas: si queremos encontrar nueva física, o incluso los indicios de nuevas físicas, necesitamos explorar parámetros más bajos que cualquier otro. Hemos visto antes. Si la imagen de Einstein necesita revisión, las ondas gravitacionales son un buen lugar para buscar el efecto.

Nuestra mejor suposición, dada nuestra observación de pulsares binarios distantes que se ralentizan debido a la radiación gravitacional, es que no podremos detectar diferencias en las ondas gravitacionales más allá de la predicción de Einstein. Está bien, significa que tenemos la imagen correcta.

Entonces, digamos que el viaje ES más valioso que el destino, ¿dónde podríamos usar este equipo ultrasensible? Los detectores para otras partes de la física parecen naturales: detectar los neutrinos y la materia oscura que son tan importantes para comprender nuestro universo, pero muy sutiles en su firma. Puedo imaginar muchas aplicaciones de ingeniería, particularmente en la detección de pequeños problemas en entornos grandes y ruidosos: cables submarinos, puentes largos, etc.

Sería un descubrimiento masivo, aunque sus implicaciones prácticas en el corto plazo probablemente serían muy pequeñas porque la sensibilidad requerida para detectarlas con suficiente “claridad” o “resolución” dificultará tener una infraestructura de observación poderosa que funcione en ondas gravitacionales. .

En cierto sentido, sería como el descubrimiento del espectro electromagnético más allá de la luz visible (infrarrojo y más allá y ultravioleta y más allá). Esto nos permitió “ver” el universo de maneras que no podríamos con luz visible solamente. Gracias a los telescopios que operan en rangos más allá del espectro visible, hemos podido hacer grandes descubrimientos, “ver cosas invisibles” y aprender mucho más sobre el universo.

Ahora solo podemos inferir la presencia de fuentes gravitacionales debido a su radiación electromagnética o por su influencia en las trayectorias de los cuerpos celestes vecinos o la trayectoria de la luz de las fuentes detrás de ellos. Por ejemplo, un agujero negro solitario es imposible de detectar, excepto quizás por su efecto de lente gravitacional en la luz que proviene de objetos que irradian más lejos detrás de él si tenemos suerte con la observación.

Ondas gravitacionales, si logramos construir una infraestructura de detección lo suficientemente sensible y poderosa, tal vez colocando satélites artificiales en órbita alrededor del sol a grandes distancias entre sí, e intercambiando señales con gran precisión para que una onda gravitacional que pasa causaría una diferencia en La transmisión de señales entre ellos podría permitirnos construir un mapa de dónde / cuándo ocurren los eventos gravitacionales, independientemente de si emiten radiación electromagnética o si alteran las trayectorias de los cuerpos visibles.

Sin embargo, una cosa es que, aunque la radiación electromagnética es estable, es decir, un cuerpo radiante solitario y estático permanece visible en el espectro electromagnético, las ondas gravitacionales solo se originan a partir de eventos que modifican el “mapa” de deformación gravitacional del espacio-tiempo.

Un agujero negro masivo solitario que no interactúa con nada más no seguirá irradiando ondas gravitacionales, ya creó la deformación del espacio-tiempo de acuerdo con su masa y esta deformación se mantendrá estable. Solo cuando la configuración de deformación cambia, por ejemplo, si un agujero negro se encuentra con una estrella de neutrones, la interacción entre ambos hará que se irradien ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales indican modificaciones en el mapa de deformación del espacio-tiempo del universo. Pero debido a que muchos cuerpos masivos interactúan constantemente, este “mapa de deformación” cambia continuamente.

Otra implicación importante es la “observación” del universo muy temprano, anterior al período CMBR de 380,000 años de edad. Ninguna radiación electromagnética de períodos anteriores puede alcanzarnos, pero las ondas gravitacionales de esos períodos anteriores deberían haber podido viajar a través del medio y llegar hasta nosotros, por lo que podríamos “ver una imagen gravitacional” del universo muy temprano, ¿cómo fue la materia? distribuido, de manera similar a los mapas CMBR de WMAP pero hecho de la intensidad de las fuentes gravitacionales en esas primeras épocas del universo.

Dependería mucho de la fuente o fuentes. Si las ondas de gravedad se detectan a partir de explosiones de supernovas, eso probablemente confirmaría que a menudo son asimétricas, ya que las supernovas simétricas no producirían suficiente energía de onda de gravedad para ser detectadas a distancias donde es probable que ocurran.

Si se detectan a partir de estrellas de neutrones que se fusionan, agujeros negros o un agujero negro con una estrella de neutrones, los gráficos de tiempo de energía y los gráficos de frecuencia de onda nos darían una gran idea de los detalles de estos eventos, y podrían servir como nuevas pruebas para el Teoría general de la relatividad o para cualquier nueva teoría de la gravedad.

Si la información es suficiente para ser intrigante pero no lo suficientemente precisa para responder muchas preguntas sobre lo que se estaba observando, habría una fuerte motivación para obtener más fondos para observatorios de ondas de gravedad aún mejores.

Haría lo contrario de sacudir las cosas. Confirmaría nuestra comprensión de la gravedad durante los últimos 100 años. Es el modelo en el que se basan todos los modelos de gravedad cuántica, incluida la teoría de cuerdas, la supergravedad, etc. Sin embargo, el requisito de la invariancia relativista especial significa que algo como esto tiene que existir para todas las fuerzas, por lo que se podría decir que incluso la relatividad especial requiere ondas gravitacionales de alguna forma. NO encontrar ondas gravitacionales sacudiría las cosas.

Probablemente no sacudiría nada directamente (estamos seguros de que se están emitiendo GW debido a los estudios del sistema binario de estrellas de neutrones PSR B1913 + 16 por el cual Hulse y Taylor obtuvieron el Nobel de 1993, por lo que creemos que es solo cuestión de tiempo y ingenio antes de detectar GWs de un sistema similar). Probablemente tampoco tendría aplicaciones a escala de laboratorio. Pero sería un excelente nuevo tipo de telescopio y probablemente conduciría a nuevos descubrimientos emocionantes en astrofísica. Por ejemplo, el tipo de coalescencia de una estrella de neutrones o un sistema binario de agujero negro que esperamos ver nos daría información sobre la formación de agujeros negros y, por lo tanto, probaría la relatividad general en campos gravitacionales más fuertes de lo que ha sido hasta ahora. Si somos buenos para detectar GW rápidamente (como en más rápido que septiembre, cuando la ejecución más reciente de aLIGO fue en enero o febrero, cuando se pueden publicar artículos), entonces podemos hacer que los colegas muevan los telescopios ópticos y de radio hacia el lugar y vean si hay alguno. Secuelas interesantes. También podríamos leer la distancia al evento con bastante precisión de la señal GW, y con confirmación óptica o de radio podríamos usarlo para mejorar la escala de distancia cósmica.

Bueno, eso es bastante grande, en sí mismo. Pero da más crédito a que el modelo Big Bang es correcto, y muestra que las teorías alternativas, como el modelo Ekpyrotic, no lo son.

Hasta donde yo sé (solo lo aprendí de mi profesor de Cosmología la semana pasada), este descubrimiento es la primera prueba que tenemos de que la gravedad está cuantizada. Esto es bastante grande ya que nuestras teorías de la gravedad vinculan la curvatura espacio-tiempo (no cuantificada) a la materia (algo que podemos cuantificar y que funciona de manera sorprendente). Entonces nos muestra que estamos haciendo algo bien. Lo cual siempre es bueno saber.

La detección de ondas de gravedad de estrellas “cercanas” no sería un gran problema, porque esto es predicho por la relatividad general clásica y no sería una gran sorpresa, de la misma manera que el modelo estándar predijo el descubrimiento del Higgs. Un motivo de celebración, pero no muy informativo.

La detección de ondas de gravedad del Big Bang, directa o indirectamente, sería un gran problema porque proporcionaría información sobre la inflación, donde nuestros modelos carecen actualmente de definición y detalles.