Las ondas gravitacionales son creadas por una amplia gama de fenómenos, cada uno de los cuales puede enseñarnos algo interesante sobre el Universo:
- El Big Bang: cuando el Universo era muy joven, experimentó un período de expansión muy rápida. Pequeñas fluctuaciones en el espacio-tiempo se habrían estirado mucho durante este período y aún podrían existir hoy como un fondo de ondas gravitacionales. Esto podría detectarse estudiando los patrones de polarización en el fondo cósmico de microondas (CMB). Con los instrumentos actuales es poco probable, pero no imposible, que podamos medir el fondo. Sin embargo, una detección positiva nos permitiría comprender mejor el mecanismo que impulsó la inflación temprana del Universo y sondear la física de energía extremadamente alta. El fondo de la onda gravitacional nos permitiría volver a ver el Big Bang, mucho más allá de lo que podemos ver con la radiación EM.
- Binarios compactos galácticos: los binarios compactos están formados por al menos una enana blanca o estrella de neutrones que orbita cerca de su compañero. Tales fuentes son tan comunes en la galaxia que pueden comenzar a formar un fondo de ruido. Las observaciones de estas fuentes nos ayudarán a comprender los modelos de población estelares y la evolución de las estrellas. Algunos binarios galácticos conocidos, llamados binarios de verificación, deberían ser detectables a las pocas horas de la operación de un detector espacial, y nos permitirán probar que está funcionando. Los sistemas binarios inspiral lentamente a medida que las ondas gravitacionales se llevan la energía y el impulso. Finalmente, los dos objetos se fusionan. Las fusiones de estrellas de neutrones y estrellas de neutrones son un candidato potencial para estallidos de rayos gamma cortos, uno de los procesos más energéticos del Universo.
- Fusiones de agujeros negros: una de las formas en que evolucionan las galaxias es a través de fusiones. Hay evidencia que sugiere que un agujero negro supermasivo (SMBH), un agujero negro con una masa de más de un millón de veces la masa del Sol, se esconde en el centro de la mayoría de las galaxias. Cuando dos galaxias se fusionan, las SMBH en sus centros también pueden entrar en espiral juntas. La radiación gravitacional emitida cuando colisionan será uno de los eventos más fuertes del Universo. Se emite más energía como radiación gravitacional de una fusión SMBH que como luz de todas las estrellas en el Universo visible. La medición de estas fusiones nos dirá muchas cosas interesantes sobre las propiedades de los agujeros negros, lo que nos permitirá probar nuestra comprensión de GR, así como informar nuestra comprensión de la evolución de las galaxias.
- Inspirales de relación de masa extrema: en el núcleo de las galaxias, los objetos compactos como enanas blancas, estrellas de neutrones o agujeros negros, pueden viajar hacia el SMBH en el centro como consecuencia de la dispersión de otros objetos. Si se acercan lo suficiente, comenzarán a inspiral a medida que sus órbitas se reducen debido a la pérdida de energía y el momento angular arrastrados por las ondas gravitacionales. Estos se conocen como inspirales de relación de masa extrema (EMRI) debido a la gran diferencia de masa entre el SMBH y el objeto compacto en órbita. La inspiración es lenta, lo que significa que podemos observar ondas gravitacionales emitidas en cientos de miles de órbitas. Esto nos permite construir una imagen inmensamente detallada del espacio-tiempo del SMBH. Estos eventos nos permitirían hacer física fundamental al sondear con precisión el fuerte campo gravitacional sobre el SMBH y, si observamos lo suficiente, podremos aprender más sobre los sistemas estelares en el centro de las galaxias.
- Transiciones de fase: a medida que el Universo evoluciona desde su estado inicial, pasa por una serie de transiciones de fase que pueden asociarse con la ruptura de simetría o el desacoplamiento de fuerzas. Estas transiciones pueden crear conductos a varios tipos diferentes de radiación gravitacional. Como analogía, imagine que el agua se enfría para que comience a formar hielo. Esta es una transición de fase también. El hielo comienza a formarse como pequeños cristales que crecen hacia afuera. Lo mismo puede suceder en el Universo, pequeños bolsillos experimentan la transición y estos se expanden como una burbuja. Para ciertos tipos de transiciones, se emitirían ondas gravitacionales cuando las burbujas chocan. En otros casos, se crean defectos topológicos después de la transición. La analogía sería cuando dos cristales de hielo crecen juntos, pero sus estructuras no están completamente alineadas, de modo que hay un límite claro, un defecto o una pared de dominio. Para el espacio-tiempo, dos ejemplos de defectos topológicos son cadenas cósmicas y paredes de dominio; los primeros son cadenas 1D de longitud cósmica, mientras que las paredes de dominio son 2D. Se espera que tales defectos sean raros, ya que se han diluido en el espacio por la expansión del Universo. Sin embargo, tienen una señal de onda gravitacional única, que debería facilitar su identificación. Tal detección sería un descubrimiento emocionante de la física exótica.
