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

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

¿Qué son?

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

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

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

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

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

(El contenido físico de la Gravedad no está en el valor absoluto del ¡Para sentir la Gravedad necesitamos dos cuerpos! ℓ Separación relativa entre dos partículas = ℓ 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

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

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

Dos polarizaciones: efectos en un círculo de partículas libres

Polarizaciones circular Comparar con la radiación Electromagnética…

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

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

¿Qué las producen? ¡Fuentes astrofísicas! ¡Centrifugadoras muy rápidas y masivas! Leyes de conservación Variación temporal del cuadrupolo Radiación cuadrupolar! Movimientos altamente no esféricos ¡Fuentes astrofísicas! Dispositivos en Tierra: h~10-43

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…

Ondas gravitatorias y Astrofísica…

Interés en Astrofísica Pura especulación… ¡NO! Realmente están ahí… Pulsar Binario PSR1913+16 (Hulse y Taylor 1974) Premio Nobel 1993

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

Algunas fuentes astrofísicas… Alta frecuencia (f ≥1 Hz) ● Supernovas y colapso gravitatorio ● Coalescencia de binarias “estelares”: f~102-103Hz (NS-NS, NS-BH, BH-BH) ● Radiación de estrellas de neutrones individuales ● Fondo estocástico procedente del Big Bang (mucho por entender…) ~1kHz

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…)

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”

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. ~ 10-4 -104 Hz; ) Comparar con la luz: 1010Hz ondas de radio de alta frecuencia - 1018 Hz rayos X Astrofísica Física “Fundamental”

Detectores

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 Fonda-gravitatoria Detectores interferométricos Detectores Acústicos

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

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

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

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

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

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

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

Recapitulando…

En el IAA…

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…)

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

Ecuaciones a resolver Ecuaciones de Einstein Problema dinámico de Agujeros negros

Coalescencia de Binarias de Agujeros Negros (¡Pretorius!)

Albert Einstein Institut…

NASA-Goddard…

¡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…