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Física de Ondas Gravitatorias (…o cómo hacer Astrofísica con fuerzas de marea que viajan por el espacio) José Luis Jaramillo (Curso IAA-UDIT)

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Presentación del tema: "Física de Ondas Gravitatorias (…o cómo hacer Astrofísica con fuerzas de marea que viajan por el espacio) José Luis Jaramillo (Curso IAA-UDIT)"— Transcripción de la presentación:

1 Física de Ondas Gravitatorias (…o cómo hacer Astrofísica con fuerzas de marea que viajan por el espacio) José Luis Jaramillo (Curso IAA-UDIT)

2 ¿Qué son? ¿Qué efectos producen? ¿Qué las producen? Razones de interés en Astrofísica Detección y retos tecnológicos En el IAA…

3 ¿Qué son?

4 ¿Qué son estas ondas? 2) Relatividad General: velocidad máxima de propagación (teoría relativista) 1) Gravedad Newtoniana: una perturbación gravitatoria se transmite instantáneamente a todo punto (acción a distancia) 3) Consecuencia: una perturbación gravitatoria se propaga a velocidad finita …

5 …¡noción intuitiva de ONDA ! ¿Ondas… de qué? ¿Se llevan energía? ¿Cantidad de movimiento…? … Muy bien, pero…

6 Si la Gravedad es Geometría… ¡ondas de curvatura del espacio-tiempo! Y… ¿qué era el espacio-tiempo?

7 Espacio y Tiempo vs. Espacio-tiempo Espacio: una única entidad Mediciones de x e y NO son independientes Espacio-tiempo: Una única entidad Mediciones de t y de x NO son independientes Ángulo φ: parámetro de giro Ángulo v: velocidad relativa entre observadores

8 Gravedad = Curvatura Principio de Equivalencia: Un observador puntual (no extenso) en caída libre no experimenta ninguna Gravedad Una nota sobre cuerpos puntuales: 1)Gravedad ~ aceleraciones 2) Cuerpo en caída libre no siente la Gravedad

9 Separación relativa entre dos partículas = ¡Para sentir la Gravedad necesitamos dos cuerpos! De forma general, la Gravedad es sentida sólo por cuerpos extensos. (El contenido físico de la Gravedad no está en el valor absoluto del campo gravitatorio, sino en sus variaciones entre puntos diferentes...) … compresiones y estiramientos

10 ¡Mareas! Ondas gravitatorias: fuerzas de marea que viajan en el espacio deformando los objetos que encuentran a su paso Marea estacionaria Marea dinámica

11 ¿Qué efectos producen? Potencial gravitatorio Newton Relatividad General Onda propagándose en la dirección z: ¡En Relatividad General sólo dos potenciales independientes!

12 Dos polarizaciones: efectos en un círculo de partículas libres

13 Polarizaciones circular Comparar con la radiación Electromagnética…

14 Orden de magnitud del efecto Haciendo números…: Recordemos efecto en la distancia entre dos partículas Carácter radiativo Efecto muy pequeño: Gravedad muy débil…

15 Flujo de energía Orden de magnitud: Uno de los puntos sutiles, pero con argumentos generales… Para comparar, luz del Sol reflejada en Júpiter a su paso por la Tierra:

16 ¿Qué las producen? ¡Centrifugadoras muy rápidas y masivas! Leyes de conservación Variación temporal del cuadrupolo Radiación cuadrupolar! Movimientos altamente no esféricos Dispositivos en Tierra: h~ ¡Fuentes astrofísicas!

17 Recapitulando las propiedades físicas de las ondas gravitatorias: Producen estiramientos y compresiones en la materia. Ondas transversales. Dos modos de polarización. Muy débil interacción con la materia (pequeña sección eficaz). Radiación cuadrupolar (al orden más bajo). Transportan Energía, cantidad de movimiento y momento angular. Rango de frecuencias…

18 Ondas gravitatorias y Astrofísica…

19 Interés en Astrofísica Pura especulación… ¡NO! Realmente están ahí… Pulsar Binario PSR (Hulse y Taylor 1974) Premio Nobel 1993

20 Una nota sobre las frecuencias… Frecuencias características de un sistema ligado gravitacionalmente: Frecuencia de la radiación: Ejemplo:

21 Alta frecuencia (f 1 Hz) Supernovas y colapso gravitatorio Coalescencia de binarias estelares: f~ Hz (NS-NS, NS-BH, BH-BH) Radiación de estrellas de neutrones individuales Fondo estocástico procedente del Big Bang (mucho por entender…) Algunas fuentes astrofísicas… ~1kHz

22 Baja frecuencia (f 1 Hz) Sistemas binarios en fase espiral (chirping binaries) Agujeros negros supermasivos: (binarias, captura de objetos, formación…) Fondo estocástico (cosmológico, binarias de enanas blancas…)

23 Algunas aplicaciones astrofísicas concretas… Kicks en binarias de agujeros negros asimétricas Sistemas binarios como candelas estándar para medir distancias (a partir de la medida del tiempo característico de caída espiral, de la frecuencia de la órbita ( M, R) y de la amplitud de la onda ( r)). Contrapartidas gravitatorias a explosiones de rayos γ

24 Motivaciones astrofísicas generales para estudiar estas ondas Nueva ventana astrofísica, distinta a las ondas electromagnéticas. Información complementaria a la luz: nos hablan del movimiento coherente de grandes masas. El Universo es esencialmente transparente para ellas. Información de zonas ocultas. Mecanismo único para estudiar Agujeros Negros ¡Deberíamos esperar sorpresas!: (frec. obs. ~ Hz; ) Comparar con la luz: Hz ondas de radio de alta frecuencia Hz rayos X Astrofísica Física Fundamental

25 Detectores

26 Detectores de Ondas Gravitatorias Recordamos, fuerzas de marea: Dos principios: Medir la separación inducida por F en partículas libres Medir las resonacias en un sólido elástico inducidas por la fuerza externa F onda-gravitatoria Detectores interferométricos Detectores Acústicos

27 Detectores Acústicos Idea: la onda gravitatoria excita los modos de oscilación del sólido Pionero: J. Weber (años 60) Barras cilíndricas

28 Meudon (París) – Granada (UDIT)… Silvano Bonazzola La campana de vacío o… ¡Coquotte-minute! Entonces, límites tecnológicos … Hoy, red de detectores repartidos por el mundo. Detectores de banda estrecha.

29 Nuevos detectores esféricos, huecos y de esferas duales Sensibles a todas las direcciones de incidencia Un único detector capaz de resolver las dos polarizaciones

30 Interferómetros láser Efecto de la onda en cuerpos libres Medición de separaciones por interferomería láser

31 Interferómetros en Tierra Limitación en bajas frecuencias por ruido sísmico… ¡al espacio! Necesidad de una red para: Validar detección Determinar origen de la fuente Resolver las polarizaciones

32 LISA (NASA-ESA) Misión común ESA-NASA proyectada para 201… 2018 (¿o era 202…?)

33 Primeros pasos… LISA-Pathfinder para probar la tecnología (masas tests en caída libre…) Fecha de lanzamiento 2009!

34 Recapitulando…

35 En el IAA…

36 Y en el IAA… Aspectos básicos/fundamentales: Formulación de la teoría Distintos aspectos cuánticos (importante por ejemplo en cuestiones cosmológicas, pero no sólo ahí…) (Víctor Aldaya, Carlos Barceló, Andrés Cano, Paco López, Eduardo Sánchez Sastre, Manuel Calixto, Julio Guerrero, José Antonio Jiménez Madrid, JLJ…)

37 Relatividad Numérica Simulación numérica de fuentes astrofísicas de ondas gravitatorias (resolución de las ecuaciones completas de la Relatividad General). IAA parte de LISA-Science España… i) ¡La propia detección! (filtros) ii) Análisis astrofísico de los datos obtenidos necesario para

38 Ecuaciones a resolver Ecuaciones de Einstein Problema dinámico de Agujeros negros

39 Coalescencia de Binarias de Agujeros Negros (¡Pretorius!)

40 Albert Einstein Institut…

41 NASA-Goddard…

42 ¡Y quedaría todo el análisis de datos…! En definitiva, la física de ondas gravitatorias es un dinámico campo multidisciplinar (¡se necesita trabajar en equipo!) que está en sus primeros pasos, pero con un futuro halagüeño…

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