¡Tanta física nueva! Estoy seguro de que no puedo enumerar todas las preguntas que la gente quiere responder, pero aquí hay algunos temas fascinantes. Por supuesto, estas son solo las incógnitas conocidas . Estoy muy entusiasmado con las incógnitas desconocidas.
Un puñado de temas sobre los que la gente quiere aprender de las ondas gravitacionales, más detalles a continuación: agujeros negros y sus poblaciones; propiedades de la materia nuclear densa; ráfagas de rayos gamma; supernovas; exótica como cuerdas cósmicas; y probar la relatividad general . Esta respuesta fue mucho más larga de lo que esperaba, ¡pero hay tantas cosas interesantes que aprender!
Agujeros negros : la primera detección de ondas gravitacionales (GW150914) fue la fusión de dos agujeros negros, ¡cada uno aproximadamente 30 veces la masa del sol! Así es como se veía la señal (de [1]):
- ¿Qué sucederá si un asteroide impacta directamente en una tormenta supercélula o cerca de él?
- ¿Qué pasaría si el sol fuera una enana roja con 0.078% de su masa actual considerando que la Tierra estaba en su zona habitable?
- ¿LIGO confirma la existencia de agujeros negros? ¿Es la primera vez que los detectamos?
- ¿Podría un vampiro ir al espacio exterior? ¿Cómo sobreviviría el sol y la luz de las estrellas en el espacio?
- ¿Cuál es el planeta más grande posible?
Deberíamos esperar que se midan muchas más fusiones de agujeros negros binarios (BBH) en los próximos años. La astrofísica más importante para recordar acerca de esta primera detección es esta: antes de septiembre, los únicos agujeros negros que la gente había observado eran supermasivos (entre 100.000 y mil millones de masas solares; estos se encuentran en los núcleos de las galaxias) o entre 5 y 15 [matemáticas] M_ \ odot [/ matemáticas] (ese es el símbolo de la masa solar). ¡Hay un golfo gigante en el medio! No sabemos cómo se forman los agujeros negros supermasivos .
Con GW150914, hemos observado un ~ 60 [math] M_ \ odot [/ math] agujero negro por primera vez.
Con más eventos de ondas gravitacionales, entenderemos cuán comunes son los sistemas binarios de agujeros negros y con qué frecuencia se fusionan, lo que podría responder a la pregunta de cómo se forman los agujeros negros supermasivos.
Propiedades de la materia nuclear densa : uno de los objetivos principales que Advanced LIGO está esperando es la inspiración y la fusión de un par de estrellas de neutrones . Recordatorio: cuando una estrella es bastante masiva, pero no lo suficientemente grande como para hacer un agujero negro, el remanente que deja es una estrella de neutrones (NS); un NS mide aproximadamente 1.4 [matemática] M_ \ odot [/ matemática], y aproximadamente 25 km de ancho; ¡Esto es igual o superior a la densidad de los núcleos atómicos! No entendemos la materia nuclear a estas altas densidades . Tampoco hay experimentos que podamos hacer en el laboratorio para investigar las condiciones en un NS: los experimentos colisionadores que pueden generar estas densidades son demasiado “calientes” en relación con las condiciones “frías” de un NS (esto es algo muy extraño de decir , ya que los NS tienen millones de grados, ¡pero hay un sentido técnico en el que tienen frío!).
Cuando un par de estrellas de neutrones inspiral, crean mareas entre sí (al igual que la Luna crea mareas en la Tierra). El tamaño de estas mareas depende de las propiedades de la materia nuclear densa. Dependiendo de cuán “blanda” sea la materia nuclear, estas mareas pueden hacer que la inspiración binaria sea más rápida.
Con qué rapidez se codifican las estrellas de neutrones inspiral en la forma de onda gravitacional. Al observar cuán rápido inspiral son las estrellas de neutrones binarias, podemos aprender cuán blanditas son y qué tan grandes son las mareas, y por lo tanto, conocer las propiedades de la materia nuclear densa.
Explosiones de rayos gamma : aproximadamente una vez al día, uno de los pocos satélites espaciales dedicados detectará una intensa explosión de rayos gamma, provenientes de algún lugar en el universo distante. Estas explosiones de rayos gamma (GRB) en realidad vienen en dos variedades, cortas y largas. Se cree que la gran variedad es causada por estrellas masivas que colapsan. Se cree que la variedad corta se debe a la fusión de dos estrellas de neutrones. Sin embargo, ¡no hay una pistola humeante que sea verdad! No sabemos qué causa los estallidos de rayos gamma .
Si observamos una onda gravitacional al mismo tiempo que una explosión de rayos gamma, tendremos una pistola humeante.
Las ondas gravitacionales podrían revelar el mecanismo detrás de las explosiones de rayos gamma.
Supernovas : se entiende que una supernova es la agonía de una estrella muy masiva. La fusión en el núcleo de una estrella crea calor y presión, lo que empuja contra el peso masivo de las capas externas de la estrella. Una vez que no haya más energía de la fusión (una vez que se hacen hierro y níquel), con más presión y colapso inminente. Sin embargo, los detalles entre el colapso y la explosión resultante no se entienden . El colapso son cosas que caen hacia adentro, pero esto tiene que convertirse en cosas que vuelan hacia afuera.
Mirar las supernovas a través de telescopios tampoco es particularmente útil. La luz que obtienes es de días a semanas o meses después de la explosión: aquí hay una curva de luz de una supernova, ¡observa que el eje horizontal abarca 150 días!
(Dato curioso: esta curva de luz es impulsada por la desintegración radiactiva de los elementos que se producen en la explosión, y eso es lo que establece la escala de tiempo característica de la curva de luz).
¿Cómo podemos obtener una señal del colapso en sí?
Se cree que la agitación violenta de la materia que ocurre durante la explosión produce ondas gravitacionales, aunque no una señal tan grande como un agujero negro binario o una fusión de estrellas de neutrones binarios.
Si tenemos mucha suerte, una supernova explotará en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, mientras LIGO avanzado esté en funcionamiento, y podremos ver las ondas gravitacionales de la supernova, y luego, en las siguientes semanas y meses, podríamos ver la supernova con telescopios ordinarios.
Los detalles de las ondas gravitacionales de una supernova podrían ayudarnos a comprender cómo un colapso se convierte en una explosión: ¡qué potencia las supernovas!
Exótica : algunas teorías de alta energía más allá del modelo estándar predicen algo llamado cadena cósmica . Una cadena cósmica es un remanente hipotético de una fase diferente del universo, desde cerca del big bang. Este modelo predice que la cadena cósmica típicamente hace “cúspides” que se mueven a la velocidad de la luz y emiten grandes cantidades de ondas gravitacionales. Actualmente, tenemos límites superiores en la cantidad de cuerdas cósmicas, ya que nunca hemos visto ninguna evidencia de ellas.
Las ondas gravitacionales podrían proporcionar una pistola humeante para cuerdas cósmicas. O, lo más probable, colocarán las mejores restricciones sobre la existencia de cadenas cósmicas.
Hay otras hipótesis exóticas, como un fondo estocástico de ondas gravitacionales que quedaron después del Big Bang.
Prueba de la relatividad general : este es mi favorito, porque es lo que paso mis días tratando de calcular. Queremos saber: ¿La relatividad general describe fielmente nuestro universo? ¿O necesita algunas correcciones?
Los agujeros negros binarios son un banco de pruebas ideal para responder a esta pregunta, porque no hay campos desordenados de gas / plasma / magnéticos alrededor de los que deba explicar, ¡solo gravedad pura y sin adulterar! Los detalles de cuán rápido dos agujeros negros inspirarales juntos pueden codificar correcciones a la relatividad general. Esos detalles aparecerán en las formas de onda gravitacionales que LIGO avanzado está midiendo.
Entonces, al medir con precisión las formas de onda gravitacionales, podemos verificar si la gravedad se describe bien por la relatividad general, o si necesita correcciones.
También hay otras pruebas: en relatividad general, solo hay un “tipo” de ondas gravitacionales (con dos “polarizaciones”). Si existen correcciones a GR, podría haber uno o más “tipos” adicionales (polarizaciones) de ondas gravitacionales que no están permitidas en la relatividad general. Con una red de tres o más detectores, podríamos verificar la presencia de estas polarizaciones adicionales.
La medición de la velocidad de propagación de las ondas gravitacionales también es una prueba clave de la relatividad general. En GR, las ondas gravitacionales viajan exactamente a la velocidad de la luz. Si hay correcciones a GR, ¡la velocidad de las ondas gravitacionales podría ser diferente!
Desconocidos desconocidos : antes de los radiotelescopios, no sabíamos acerca de quásares o púlsares. Antes de los satélites de rayos gamma, no sabíamos acerca de las explosiones de rayos gamma. Una historia similar es cierta para cada nuevo tipo de instrumento que hemos usado para observar el universo: microondas, infrarrojos, ultravioleta, rayos X, rayos cósmicos, neutrinos.
Estoy seguro de que las ondas gravitacionales también estarán en la lista. Ya hemos pensado en binarios de agujeros negros. Ya hemos visto sistemas binarios de estrellas de neutrones con telescopios ordinarios, pero aún no con ondas gravitacionales. Pero no podemos burlarnos de la naturaleza.
Espero que algún día alguien revise los datos de LIGO y diga “¿Qué es eso?”
Notas al pie
[1] Observación de ondas gravitacionales de una fusión binaria de agujeros negros
