Astronomía

Observación de ondas gravitatorias por LIGO de fusión binaria de agujeros negros

Observación de ondas gravitatorias por LIGO de fusión binaria de agujeros negros


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Leí el artículo "Observación de ondas gravitacionales de una fusión binaria de agujeros negros" https://physics.aps.org/featured-article-pdf/10.1103/PhysRevLett.116.061102

Traté de comprender todos los gráficos y datos observados en el artículo. Tengo curiosidad por saber cómo estos datos y gráficos concluyen que las ondas gravitacionales observadas se debieron a la fusión de agujeros negros binarios. Además, ¿qué cálculos y ecuaciones condujeron a lo mismo? Además, ¿cómo se verían los cálculos y las ecuaciones si hubiera estrellas de neutrones en lugar de un agujero negro en la misma fusión?

(los gráficos y los datos se pueden ver en la sección de observación del artículo)


Las estrellas de neutrones son menos masivas pero más grandes que los agujeros negros. La frecuencia de las ondas gravitacionales se debe al período orbital de los objetos cuando se juntan en espiral. Una fusión de estrellas de neutrones tendría una velocidad orbital diferente, por lo que la frecuencia sería diferente y más baja. Aumentaría a un ritmo diferente. La señal de las estrellas de neutrones también es mucho más débil, por lo que no se puede detectar desde el mismo rango.

Antes de la detección de la señal, se realizaron simulaciones numéricas de fusión de agujeros negros de varios tamaños, por lo que se conocía la forma teórica de la forma de onda esperada de la fusión de agujeros negros (y estrellas de neutrones). A partir de este trabajo teórico, fue posible estimar la masa de los dos agujeros negros que participan en la fusión haciendo coincidir la señal observada con una teórica. Puede ver la señal teórica para los agujeros negros con 36 y 29 en los diagramas etiquetados como "relatividad numérica"


Esto es para complementar la respuesta muy clara de @ JamesK. A partir de las oscilaciones que se muestran en la Figura 1, se puede estimar un período de la de la onda gravitacional medida de unos 5 milisegundos, lo que correspondería a un frecuencia estimada de la onda de unos 200 Hz. Debido a que el fenómeno es binario - una "onda" vendrá de cada uno de los dos objetos, uno puede estimar la frecuencia orbital instantánea en este momento es la mitad, o alrededor de 100 Hz.

La discusión al final de la Sección II menciona que en este caso una frecuencia orbital que alcanza los 75 Hz antes del contacto solo podría ser producido por dos objetos masivos compactos: los agujeros negros.

Las anotaciones indican una estimación a partir de las cifras únicamente. Un análisis preciso requeriría modelar el conjunto de datos original.

De P. B. Abbott et al. PRL 116, 061102 (2016), sección II y Figura 1:

Para alcanzar una frecuencia orbital de 75 Hz (la mitad de la frecuencia de la onda gravitacional), los objetos deben haber estado muy cerca y muy compactos; las masas puntuales newtonianas iguales que orbitan a esta frecuencia estarían a solo 350 km de distancia. Un par de estrellas de neutrones, aunque compactas, no tendrían la masa requerida, mientras que una estrella de neutrones binaria de agujero negro con la masa de chirp deducida tendría una masa total muy grande y, por lo tanto, se fusionaría a una frecuencia mucho menor. Esto deja a los agujeros negros como los únicos objetos conocidos lo suficientemente compactos como para alcanzar una frecuencia orbital de 75 Hz sin contacto. Además, la caída de la forma de onda después de que alcanza su punto máximo es consistente con las oscilaciones amortiguadas de un agujero negro que se relaja a una configuración Kerr estacionaria final.


Capítulo 11: Observación de ondas gravitacionales de una fusión binaria de agujeros negros

La teoría general de la relatividad de Albert Einstein, publicada por primera vez hace un siglo, fue descrita por el físico Max Born como "la mayor hazaña del pensamiento humano sobre la naturaleza". Informamos sobre dos avances científicos importantes que involucran predicciones clave de la teoría de Einstein: la primera detección directa de ondas gravitacionales y la primera observación de la colisión y fusión de un par de agujeros negros. Este evento cataclísmico, que produjo la señal de ondas gravitacionales GW150914, tuvo lugar en una galaxia distante a más de mil millones de años luz de la Tierra. Fue observado el 14 de septiembre de 2015 por los dos detectores del Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO), posiblemente los instrumentos científicos más sensibles jamás construidos. LIGO estimó que la potencia máxima de la onda gravitacional irradiada durante los momentos finales de la fusión del agujero negro fue más de diez veces mayor que la potencia luminosa combinada de todas las estrellas y galaxias del Universo observable. Este notable descubrimiento marca el comienzo de una nueva y emocionante era de la astronomía a medida que abrimos una ventana de ondas gravitacionales completamente nueva en el Universo.


Fusiones de estrellas de neutrones

La fusión de estrellas de neutrones GW170817 marcó el comienzo de la astronomía de múltiples mensajeros porque fue el primer evento de ondas gravitacionales con una contraparte electromagnética registrada 1. A medida que las estrellas de neutrones se fusionaron, liberaron un breve destello de rayos gamma, seguido de radiación electromagnética de diferentes procesos, incluida la radiación radiactiva emitida en la formación de elementos pesados, un espectáculo de fuegos artificiales conocido como kilonova. Menos de 2 s después de que LIGO y Virgo detectaran la fusión, el monitor de ráfagas de rayos gamma de Fermi detectó de forma independiente la ráfaga de rayos gamma. Telescopios de todo el mundo comenzaron a buscar la radiación electromagnética y los neutrinos, con más de 50 equipos de astrónomos movilizados para la tarea. "Fue una ciencia majestuosa, pero también una experiencia muy intensa", dice Mansi Kasliwal, investigador principal de GROWTH (Retransmisión global de observatorios que observan transitorios suceden), una colaboración internacional que estudia eventos de rápido cambio (transitorios) como supernovas, estrellas de neutrones o fusiones de agujeros negros utilizando una red de telescopios en todo el mundo. La cantidad de datos registrados mantuvo a los científicos ocupados durante meses con el análisis completo. Pero ya en octubre de 2017 se habían publicado más de 30 artículos en varias revistas que incluían resultados variados como una nueva medición de la constante de Hubble 2 y la confirmación de que se crean elementos pesados ​​en tales fusiones de estrellas de neutrones a través del proceso de captura rápida de neutrones 3.


Distancia de luminosidad de ondas gravitacionales en gravedad cuántica

El flujo dimensional, la dependencia de la escala de la dimensionalidad del espacio-tiempo, es una característica compartida por muchas teorías de la gravedad cuántica (QG). Presentamos el primer estudio de las consecuencias del flujo dimensional QG para el escalado de la distancia de luminosidad de las ondas gravitacionales en los rangos de frecuencia de LIGO y LISA. Encontramos modificaciones genéricas con respecto a la escala relativista general estándar, en gran medida independientes de propuestas específicas de QG. Restringimos estos efectos utilizando dos ejemplos de sirenas estándar multimessenger, la fusión binaria de estrellas de neutrones GW170817 y un evento de fusión de agujero negro supermasivo simulado detectable con LISA. Aplicamos estas restricciones a varios candidatos de QG, y descubrimos que las geometrías cuánticas de la teoría de campos grupales, las espumas de espín y la gravedad cuántica de bucles pueden dar lugar a señales observables en el sector de espín 2 de la onda gravitacional. Nuestros resultados complementan y mejoran los límites de velocidad de propagación de GW en relaciones de dispersión modificadas. Bajo supuestos más dependientes del modelo, también mostramos que los límites de la geometría cuántica pueden fortalecerse mediante pruebas del sistema solar.


¿La energía liberada por las ondas gravitatorias es energía cinética o masa en reposo convertida?

Se dice que en la colisión binaria de agujeros negros que LIGO detectó recientemente, se liberó la energía equivalente a 3 masas solares.

Dado que ninguna materia puede escapar de un agujero negro, la única fuente que puedo imaginar es la energía cinética, por lo que la masa en reposo del nuevo agujero negro formado debería ser al menos la masa en reposo combinada de los dos antiguos agujeros negros más tal vez alguna masa relativista extra. del movimiento que tenían antes de fusionarse, que puede que no se convierta por completo en ondas gravitacionales.

Si la velocidad de los antiguos agujeros negros fuera como se sospechaba c / 2, sus masas relativistas serían un 15% más altas que sus masas en reposo. Se supone que la masa en reposo de los agujeros negros es de 30 masas solares cada uno. Eso encajaría perfectamente con los números.

Además, la tierra y la luna no parecen perder masa, pero también producen pequeñas ondas gravitacionales.

¿Es correcta mi suposición de que no hay masa en reposo, solo masa relativista, por lo que la velocidad se convierte en ondas gravitacionales, o estoy pasando por alto algo? Si es así, ¿cuál es el mecanismo para convertir el material del interior de los horizontes de eventos anteriores en energía que se irradia en forma de ondas?


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En: Physical Review Letters, vol. 116, N ° 6, 061102, 11.02.2016.

Resultado de la investigación: Contribución a la revista ›Artículo› revisión por pares

T1 - Observación de ondas gravitacionales de una fusión binaria de agujeros negros

AU - Colaboración científica LIGO y Colaboración Virgo

N2 - El 14 de septiembre de 2015 a las 09:50:45 UTC, los dos detectores del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser observaron simultáneamente una señal de onda gravitacional transitoria. La señal se desplaza hacia arriba en frecuencia de 35 a 250 Hz con una deformación máxima de onda gravitacional de 1.0 × 10-21. Coincide con la forma de onda predicha por la relatividad general para el inspiral y la fusión de un par de agujeros negros y el ringdown del único agujero negro resultante. La señal se observó con una relación señal / ruido de filtro emparejado de 24 y una tasa de falsas alarmas estimada en menos de 1 evento por 203 000 años, equivalente a una significancia superior a 5,1σ. La fuente se encuentra a una distancia de luminosidad de 410-180 + 160 Mpc correspondiente a un corrimiento al rojo z = 0.09-0.04 + 0.03. En el marco de la fuente, las masas iniciales del agujero negro son 36-4 + 5M⊙ y 29-4 + 4M⊙, y la masa final del agujero negro es 62-4 + 4M⊙, con 3.0-0.5 + 0.5M⊙c2 irradiado en ondas gravitacionales. Todas las incertidumbres definen intervalos creíbles del 90%. Estas observaciones demuestran la existencia de sistemas binarios de agujeros negros de masa estelar. Esta es la primera detección directa de ondas gravitacionales y la primera observación de una fusión binaria de agujeros negros.

AB - El 14 de septiembre de 2015 a las 09:50:45 UTC, los dos detectores del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser observaron simultáneamente una señal de onda gravitacional transitoria. La señal se desplaza hacia arriba en frecuencia de 35 a 250 Hz con una deformación máxima de onda gravitacional de 1.0 × 10-21. Coincide con la forma de onda predicha por la relatividad general para el inspiral y la fusión de un par de agujeros negros y el ringdown del único agujero negro resultante. La señal se observó con una relación señal / ruido de filtro emparejado de 24 y una tasa de falsas alarmas estimada en menos de 1 evento por 203 000 años, equivalente a una significancia superior a 5,1σ. La fuente se encuentra a una distancia de luminosidad de 410-180 + 160 Mpc correspondiente a un corrimiento al rojo z = 0.09-0.04 + 0.03. En el marco de la fuente, las masas iniciales del agujero negro son 36-4 + 5M⊙ y 29-4 + 4M⊙, y la masa final del agujero negro es 62-4 + 4M⊙, con 3.0-0.5 + 0.5M⊙c2 irradiado en ondas gravitacionales. Todas las incertidumbres definen intervalos creíbles del 90%. Estas observaciones demuestran la existencia de sistemas binarios de agujeros negros de masa estelar. Esta es la primera detección directa de ondas gravitacionales y la primera observación de una fusión binaria de agujeros negros.


Definidor

En un sentido general: cualquier patrón de viaje, ya sea que implique o no el transporte de materia. Ejemplos simples son las ondas de agua: crestas y valles de olas que viajan sobre la superficie del agua y una ola mexicana en un estadio de fútbol, ​​con fanáticos de pie y sentados alternativamente; el patrón se mueve a través del estadio, no a los fanáticos mismos.

Una forma especialmente simple de onda es una onda sinusal, un patrón regular de crestas y valles de onda.

En un sentido general: cualquier patrón de viaje, ya sea que implique o no el transporte de materia. Ejemplos simples son las ondas de agua: crestas y valles de olas que viajan sobre la superficie del agua y una ola mexicana en un estadio de fútbol, ​​con fanáticos de pie y sentados alternativamente; el patrón se mueve a través del estadio, no a los fanáticos mismos.

Una forma especialmente simple de onda es una onda sinusal, un patrón regular de crestas y valles de onda.

En física, la velocidad es una combinación de dos aspectos: En primer lugar, qué tan rápido es un objeto, en otras palabras: qué distancia recorre en un tiempo determinado (su "velocidad"). En segundo lugar, la dirección en la que se mueve un objeto. Los físicos combinan estas dos informaciones en un solo objeto matemático, llamado "vector", y esto es lo que se llama velocidad. Por ejemplo, cuando un automóvil da la vuelta a una curva a 100 millas por hora, su velocidad es constante, pero a medida que cambia su dirección de movimiento, su velocidad cambia en consecuencia.

tiempo Es un hecho de la vida que no todos los eventos en nuestro universo ocurren al mismo tiempo, sino que existe un cierto orden. Definir una coordenada de tiempo o definir el tiempo, la forma en que lo hacen los físicos, es definir una prescripción para asociar con cada evento un número a fin de reflejar ese orden; si el evento B ocurre después del evento A, entonces el número asociado con B debería ser mayor que el asociado con A. El primer paso de esta definición es construir un reloj: Elija un proceso simple que se repita regularmente. (¿Qué es "regular"? Afortunadamente, en nuestro universo, todos los procesos elementales como un péndulo oscilante, las oscilaciones de los átomos o de los circuitos electrónicos conducen al mismo concepto de regularidad). Como segundo paso, instale un contador: un mecanismo que, con cada repetición del proceso elegido, aumenta la cuenta en uno. Con esta definición, uno puede al menos asignar un tiempo (el valor numérico del contador) a los eventos que suceden en la ubicación del reloj. Para eventos en diferentes lugares, es necesaria una definición adicional: es necesario definir la simultaneidad. Después de todo, la afirmación de que algún evento lejano A ocurre a las 12 en punto es lo mismo que decir que el evento A y "nuestro contador de reloj muestra 12:00:00" son simultáneos. El cómo y el por qué de definir la simultaneidad, una pieza central de la teoría de la relatividad especial de Einstein, se describen en el tema destacado Definiendo "ahora". Con todas estas preparaciones, los físicos pueden, en principio, asignar un valor de coordenada de tiempo ("un tiempo") a cualquier evento posible, y describe qué tan rápido o qué tan lento suceden los procesos, en comparación con esa coordenada de tiempo. teoría de la relatividad Ver la teoría de la relatividad estrellas (estrella) Una bola de gas cósmica que es lo suficientemente masiva para que la presión y la temperatura en su núcleo alcancen valores en los que se producen reacciones de fusión nuclear autosostenidas. La energía liberada en estas reacciones hace que las estrellas se vuelvan muy brillantes fuentes de luz y otras formas de radiación electromagnética. Una vez que se agota el combustible nuclear, la estrella se convierte en una enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro. velocidad La velocidad promedio de un objeto es la distancia que se mueve durante un período de tiempo determinado, dividida por la duración del intervalo de tiempo. Si hace que el intervalo de tiempo sea infinitamente pequeño, el resultado es la velocidad del objeto en un momento particular en el tiempo. La noción de velocidad se puede aplicar a ondas de diferentes formas, por ejemplo, para una onda simple, la velocidad de fase es la velocidad a la que cualquier cresta u onda dada se propaga a través del espacio. Consulte también la velocidad de entrada más general. velocidad de la luz La velocidad a la que la luz o, más generalmente, la radiación electromagnética se propaga a través del espacio (especialmente: a través del espacio vacío). Cantidad central en relatividad especial: Allí, la constancia de la velocidad de la luz es un postulado básico: todo observador (más precisamente: todo observador inercial) que mide la velocidad de la luz en el vacío obtiene el mismo valor constante, c = 299.792.458 metros por segundo . Otro aspecto relativista importante de la velocidad de la luz es que define un límite superior absoluto de velocidad: en la relatividad especial, nada puede moverse más rápido que la luz, y la información o influencia como mucho se transmite a la velocidad de la luz. En la relatividad general, la misma ley está en vigor localmente: ningún objeto, no importa, ninguna información puede alcanzar o alcanzar directamente la luz (cf. causalidad). Se puede encontrar información básica sobre el papel de la velocidad de la luz en la relatividad especial en el capítulo Relatividad especial de Einstein elemental. espacio-tiempo Ya en la relatividad especial, los observadores en movimiento entre sí no estarán, en general, de acuerdo en si dos eventos ocurren simultáneamente, o en cuán grande es la distancia entre dos objetos. Sin embargo, sí están de acuerdo con los eventos que ocurren, aunque no con cuándo y dónde ocurren. Esta totalidad de todos los eventos independiente del observador se llama espacio-tiempo. La forma en que el espacio-tiempo se divide en espacio y tiempo puede diferir de un observador a otro. El espacio cotidiano tiene tres dimensiones. Agregar tiempo agrega otra dimensión: el espacio-tiempo tiene cuatro dimensiones, en total. Estamos acostumbrados a la idea de un punto en el espacio: un objeto que tiene solo una ubicación y está completamente definido una vez que se dan sus coordenadas espaciales. En el espacio-tiempo, un punto del espacio-tiempo es un objeto definido completamente una vez que se dan sus coordenadas espaciales y su coordenada temporal, lo que hace que un punto del espacio-tiempo no sea más que un evento elemental. La idea del espacio-tiempo es, además de su papel en la relatividad especial, un componente básico de la relatividad general. De manera análoga a cómo un plano es plano, pero la superficie de una esfera es curva, en la relatividad general, las versiones curvas o distorsionadas del espacio-tiempo simple y plano de la relatividad especial juegan un papel. La curvatura del espacio-tiempo, en relatividad general, está íntimamente relacionada con la gravedad. Para obtener una introducción a los conceptos básicos de ambas teorías de la relatividad, consulte los capítulos Relatividad especial y Relatividad general en Einstein elemental. A veces, puede ser útil ver el espacio-tiempo en analogía con el espacio ordinario; estas analogías se exploran en los temas destacados: Dilatación del tiempo en la carretera (para la dilatación del tiempo) y Gemelos en la carretera (para el efecto gemelo). segundo En el Sistema Internacional de Unidades: la unidad básica de tiempo. Definido como cierto múltiplo del período de oscilación de la radiación electromagnética liberada en una cierta transición dentro de la capa de electrones de átomos del tipo Cesio-133. teoría de la relatividad (teoría de la relatividad) Las teorías modernas del espacio y el tiempo que se remontan a Albert Einstein: su teoría especial de la relatividad, que ignora los efectos de la gravitación, y su teoría general de la relatividad, en la que se incluye la gravitación como una distorsión de la espacio y tiempo. Para obtener una introducción a los conceptos básicos de ambas teorías de la relatividad, consulte los capítulos Relatividad especial y Relatividad general en Einstein elemental. física de partículas Rama de la física que se ocupa de las partículas que, según los conocimientos actuales, no están compuestas por subunidades más fundamentales, por ejemplo, con electrones, quarks o neutrinos. También se incluye el estudio de algunas especies de partículas que sí tienen constituyentes más elementales, como protones o neutrones, pero no de sistemas más grandes como núcleos atómicos (que sería la física nuclear) o, peor aún, átomos completos. Cuestiones como si las partículas que hoy en día se consideran elementales son realmente elementales o son, por ejemplo, diferentes manifestaciones de una misma especie de cuerda, caen dentro del alcance de la física de partículas. Las herramientas teóricas de la física de partículas son las llamadas teorías cuánticas de campo que permiten la descripción de partículas elementales sobre la base tanto de la teoría cuántica como de la relatividad especial, mientras que las principales herramientas experimentales son los aceleradores de partículas en los que las partículas se aceleran y luego se llevan a la colisión. . neutrón Partícula que es eléctricamente neutra y comparativamente masiva. Los núcleos atómicos consisten en neutrones y protones. Los neutrones no son partículas elementales, son partículas compuestas que consisten en quarks que están unidos entre sí a través de una fuerte interacción nuclear. En conjunto, los neutrones, protones y una serie de partículas similares se denominan bariones. Las estrellas de neutrones están formadas principalmente por neutrones. AEI (Instituto Max Planck de Física Gravitacional / Instituto Albert Einstein) Véase el Instituto Albert Einstein. masa En la física clásica, la masa juega un papel triple. En primer lugar, es una medida de lo fácil que es influir en el movimiento de un cuerpo. Imagina que estás a la deriva en un espacio vacío. A la deriva hay un elefante y un ratón, y le das a cada uno de ellos un empujón con la misma fuerza. El hecho de que el ratón cambie abruptamente su camino, mientras que el curso del elefante es casi inalterado, es una señal segura de que la masa (o, en el lenguaje de la física, la inercia o masa inercial) del elefante es mucho mayor que eso. del ratón. En segundo lugar, la masa es una medida de cuántos átomos hay en un cuerpo y de qué tipo son. Todos los átomos de un mismo tipo tienen la misma masa, y sumando todas esas pequeñas masas componentes, resulta la masa total del cuerpo. En tercer lugar, en la teoría de la gravedad de Newton, la masa determina con qué fuerza un cuerpo atrae a otros cuerpos a través de la fuerza gravitacional y con qué fuerza estos cuerpos la atraen (en este sentido, la masa es la carga asociada con la fuerza gravitacional). En relatividad especial, también se puede definir una masa que es una medida de la resistencia de un cuerpo a cambiar su movimiento. Sin embargo, el valor de esta masa relativista depende del movimiento relativo del cuerpo y del observador. La masa relativista es la "m" en el famoso libro de Einstein E = mc² (cf. equivalencia de masa y energía). La masa relativista tiene un mínimo para un observador que está en reposo en relación con el cuerpo en cuestión. Este valor es el llamado masa de descanso del cuerpo, y cuando los físicos de partículas hablan de masa, esto suele ser lo que quieren decir. Al igual que en la física clásica, la masa en reposo es una especie de medida de la cantidad de materia que compone el cuerpo, con una salvedad: para los cuerpos compuestos, las energías asociadas con las fuerzas que mantienen unido al cuerpo contribuyen a la masa total, como bueno (otra consecuencia de la equivalencia de masa y energía). En la relatividad general, la masa todavía juega un papel como fuente de gravedad, sin embargo, se le han unido cantidades físicas como la energía, el momento y la presión. campo magnético La fuerza magnética es una fuerza por la cual las corrientes eléctricas (es decir, cargas eléctricas en movimiento) actúan entre sí; el campo magnético es el campo asociado. Todos los fenómenos relacionados con la fuerza magnética o el campo magnético se incluyen bajo el título de magnetismo. Los campos magnéticos no pueden entenderse separados de los campos eléctricos; su descripción completa solo es posible dentro del contexto más general del electromagnetismo. Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser LIGO: un proyecto de detector para la medición de ondas gravitacionales en los Estados Unidos, que se actualizó al LIGO avanzado entre 2010 y 2015. El detector incluye dos detectores interferométricos de ondas gravitacionales, con una longitud de brazo de cuatro kilómetros cada uno. Uno de ellos está ubicado en Hanford, Washington, el otro está ubicado en Livingston, Louisiana. La primera medición directa de ondas gravitacionales se realizó en LIGO. & gt Luz del sitio web de LIGO La luz en el sentido estricto de la palabra es radiación electromagnética que el ojo humano puede detectar, con longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetros. En la teoría de la relatividad y en astronomía, la palabra se usa a menudo en un sentido más general, abarcando todo tipo de radiación electromagnética. Por ejemplo, los astrónomos podrían hablar de "luz infrarroja" o "luz gamma" en este contexto, la luz en el sentido más estricto se conoce como "luz visible". Dentro de la física clásica, las propiedades de la luz se rigen por las ecuaciones de Maxwell en física cuántica, resulta que la luz es una corriente de paquetes de energía llamados cuantos de luz o fotones. En el contexto de la física relativista, la luz es de gran interés y por varias razones. En primer lugar, la velocidad de la luz juega un papel central tanto en la relatividad general como en la especial. Además, hay una serie de efectos interesantes en la relatividad general que están asociados con la propagación de la luz, a saber, la desviación, el efecto Shapiro y el corrimiento al rojo gravitacional. láser

Abreviatura de "Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación". Técnica para la producción de luz muy concentrada, fuerte y de frecuencia fija, que se propaga como una onda electromagnética muy simple en la que las crestas y valles de las ondas están en perfecto paso ("luz coherente").

Interferencia Cuando las ondas se encuentran y se superponen, pueden amplificarse o amortiguarse entre sí. Estos efectos de superposición se denominan efectos de interferencia: siempre que una cresta de onda se encuentra con una cresta de onda, se produce una cresta de onda más alta (interferencia constructiva) cuando una cresta de onda se encuentra con un valle, puede haber una cancelación completa entre los dos (interferencia destructiva ). La interferencia puede ocurrir entre ondas electromagnéticas (como la luz), pero también entre ondas de agua y ondas de sonido. ondas gravitacionales Distorsiones de la geometría espacial que se propagan a través del espacio con la velocidad de la luz, análogas a las ondas en la superficie de un estanque que se propagan como ondas de agua. Para obtener más información sobre las ondas gravitacionales, consulte el capítulo Ondas gravitacionales de Einstein elemental. Aspectos seleccionados de la física de ondas gravitacionales se describen en la categoría Ondas gravitacionales de nuestros Focos sobre la relatividad. Detector de ondas gravitacionales británico-alemán GEO600 ubicado en Ruthe (cerca de Hannover, Alemania). GEO600 es un detector de ondas gravitacionales interferométricas con una longitud de brazo de 600 metros. GEO600 sitio web teoría general de la relatividad La teoría de la gravedad de Albert Einstein es una generalización de su teoría especial de la relatividad. Para obtener información sobre los conceptos y aplicaciones de esta teoría, recomendamos el capítulo relatividad general de nuestra sección introductoria Elemental Einstein. Puede encontrar más información sobre muchos aspectos diferentes de la relatividad general y sus aplicaciones en nuestra sección Destacados sobre la relatividad. relatividad general (teoría general de la relatividad) teoría de la gravedad de Albert Einstein una generalización de su teoría especial de la relatividad. Para obtener información sobre los conceptos y aplicaciones de esta teoría, recomendamos el capítulo relatividad general de nuestra sección introductoria Elemental Einstein. Puede encontrar más información sobre muchos aspectos diferentes de la relatividad general y sus aplicaciones en nuestra sección Destacados sobre la relatividad. frecuencia

Medida de la rapidez de una oscilación, definida como la inversa del período de oscilación: Un proceso que, al oscilar, se repite después de 0,1 segundos tiene la frecuencia 1 / (0,1 segundos) = 10 Hz. (La unidad Hertz, abreviada como Hz, se define como 1 Hz = 1 / segundo).

Para una onda simple, la frecuencia viene dada por el número de máximos que pasa por un observador estacionario en un segundo. Diez máximos que pasan por segundo corresponden a una frecuencia de 10 Hz.


GW190412: Las primeras ondas gravitacionales de una fusión asimétrica de agujeros negros

Figura 1: La característica GW & # 8216chirp & # 8217 surge cuando los dos agujeros negros & # 8211 no son muy buenos para practicar el distanciamiento social & # 8211 giran hacia adentro más rápido a medida que emiten radiación gravitacional y se acercan. Esto aumenta la frecuencia de radiación emitida con el tiempo.

Es difícil de creer que hayan pasado más de cinco años desde la primera detección de ondas gravitacionales (GW) por parte de LIGO. La una vez inimaginable hazaña ahora se ha convertido en una rutina con los avances en la tecnología de detectores y la unión de Virgo, el observatorio europeo de ondas gravitacionales. Juntos durante el año pasado, han emitido alertas públicas para un total de 56 candidatos de detección en su tercera serie de observación (O3), que se suspendió un mes antes de tiempo debido al COVID-19.

Sin embargo, hay motivos para seguir entusiasmados, ya que la colaboración ha comenzado a presentar los resultados de la ejecución de observación después de análisis detallados. Uno de los primeros anuncios, GW190412, se realizó en la reunión virtual de abril de APS recientemente concluida y tiene las siguientes características únicas:

1) Masas asimétricas

Los agujeros negros en todas las fusiones de agujeros negros binarios escuchados por LIGO-Virgo en sus dos primeras corridas de observación eran de tamaños comparables, con la relación entre la masa del agujero negro más ligero y la más pesada cercana a 1. Sin embargo, en GW190412, la relación de masa está significativamente sesgada, con el agujero negro más pesado que pesa alrededor de 30 masas solares y el más ligero alrededor de 8 masas solares. La Figura 2 muestra la distribución de probabilidad de la razón de masa (q) para el binario a lo largo del eje x.

2) Giro del agujero negro más pesado

Hacer coincidir los datos con formas de onda de plantilla sofisticadas no solo nos dice cómo los dos agujeros negros deformaron la tela del espacio-tiempo al fusionarse, sino también si estaban girando y arremolinándose mientras lo hacían. Esta es la primera vez que LIGO-Virgo detecta un giro característico distinto de cero en el sistema. La figura 2 nos muestra el inferido parámetro de giro efectivo para el binario en el eje y: es una combinación de los giros individuales de los agujeros negros, ponderados por sus masas. En este caso, dado que un agujero negro es significativamente más pesado, podemos concluir que lleva gran parte del giro.

Figura 2: La relación de masa inferida y el giro efectivo de la fusión binaria GW190412. & # 8216Phenom PHM & # 8217 y & # 8216EOBNR PHM & # 8217 se refieren a dos formas diferentes en las que se modela el binario para recuperar sus parámetros de los datos, con PHM señalando el uso de la precesión de los agujeros negros y los modos de orden superior en el forma de onda para ambos. El hecho de que proporcionen parámetros inferidos ligeramente diferentes destaca la dificultad de simular fusiones complejas.

3) Armónicos de forma de onda de orden superior

Los binarios de agujeros negros con masas simétricas evolucionan de una manera correcta: cada vez que completan la mitad de una órbita, la imagen parece simétrica. Como resultado, la emisión de ondas gravitacionales ocurre a una frecuencia que es dos veces la frecuencia angular orbital.

Con agujeros negros ladeados, en lugar de orbitar alrededor de un punto fijo, el agujero negro más pesado gira en un círculo pequeño, alrededor del cual gira el agujero negro más pequeño. Esto conduce a la radiación gravitacional emitida a frecuencias más altas, formando armónicos de orden superior o sobretonos. En este caso, los analistas de datos pudieron identificar claramente el siguiente armónico prominente de la señal, que era tres veces la frecuencia orbital.

Los músicos identificarán que dos notas que ocurren en una relación de frecuencia de 3: 2 forman un intervalo musical armonioso. Lejos de resultar en un nocaut discordante, este choque entre un peso superpeso y un peso de paja había compuesto una quinta perfecta para la sinfonía del espacio-tiempo.

Los sistemas que irradian ondas gravitacionales detectables nos ayudan a estudiar las predicciones de la relatividad general en regímenes de gravedad extremadamente fuerte, donde el tejido del espacio-tiempo se deforma en la mayor medida. Estimado teórico, incluso Einstein habría brillado de emoción ante la perspectiva de jugar con diferentes tamaños y configuraciones de agujeros negros artificiales en un laboratorio. Si bien eso es claramente imposible, dejamos que la naturaleza realice los experimentos y construyamos interferómetros gigantes como LIGO y Virgo para sintonizarnos con los resultados. Cada nuevo evento agrega información valiosa a nuestro conocimiento de la población de estos binarios en nuestro universo y la velocidad a la que se fusionan.

Since an asymmetric merger like GW190412 is unique (as of now), it tells us how the probability of two compact objects depends on their mass ratio. Opposites do not seem to attract in strong regimes of gravity, but this single event has already updated our understanding from the first two observing runs, which saw none. It also makes us ponder over how this binary got together in the first place: did it evolve in isolation, with each star collapsing into a different-sized black hole? Or did it form due to black holes in a dense stellar environment getting caught up together? The latter dynamical formation scenario is good at explaining binaries even more lopsided than GW190412 (mass ratio 1:10 or less), but this event does not definitively point towards either formation process . The spin of the larger black hole also suggests that it might have been formed as a result of the merger of two smaller black holes itself, pointing towards dynamic interactions. The presence of higher-order harmonics in GW190412 can fine-tune our tests of general relativity, and help us infer binary parameters with greater accuracy.

There’s just so much science coming out of this single event. If you have more appetite for it, check out LIGO physicist Christopher Berry’s full-course serving here (spoiler: the entree is…Oreos). I wonder what’s hiding in the other 50+ events to be announced in the near future!


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From a philosophical point of view, yes, of course the LIGO results could be an anomaly. So could every scientific measurement ever made. Science admits the possibility that its conclusions are incorrect.

If you take a look at the LIGO papers, you’ll find that they present an error analysis to estimate the possibility that the signals were mere artifacts. For example, in the paper announcing the first measured black hole merger, the estimate is that a false alarm on the level of the signal they measured would occur less than once every 203000 years. So from that paper alone, the odds are pretty slim that the results are anomalous. Add in the results from the following two years, including the neutron star merger mentioned by @user1504 (false alarm rate <1 per 80000 years), and the chance of anomaly becomes even smaller. But it’s possible, and LIGO rightly admits as much through their use of language: “we infer the component masses. ”, the $gamma$-ray burst “corroborates the hypothesis”, subsequent observation “apoyos the interpretation of this event”, etc.

I want to address your main question, rather than the various subsidiary ones. You asked if it's possible that LIGO's results are anomalies.

No. There's no way that LIGO's results are anomalies.

The most vivid proof is the detection by LIGO of GW170817/GRB170817A, a binary neutron star merger that emitted a gamma ray burst. (Paper here.)

Binary neutron star mergers are incredibly violent explosions. When they occur, the merging systems emit both gravitational and electromagnetic radiation and eject a cloud of matter. The electromagnetic radiation comes in the form of a gamma ray burst. There is no brighter source of electromagnetic radiation in the cosmos.

As gravitational and electromagnetic radiation emerge from the explosion, they interact with the ejected matter. Electromagnetic radiation travels slower in media than in vacuum, in proportion to the amount of matter interacted with and in proportion to the strength of the interaction. This is also true of gravitational radiation, but the gravitational interaction is so much weaker that it can be neglected. Consequently, the gravitational waves escaped the explosion before the electromagnetic ones, and arrived here on Earth first.

On 17 Aug 2017, LIGO detected a large gravitational wave, and then, 2 seconds later, the Fermi gamma-ray telescope detected a gamma ray burst. Two seconds may not seem like much, but it's an eternity for these kinds of signals. The gravitational wave had already passed by the Earth when the gamma rays arrived.

With help from its sister instrument Virgo (which had a known blind spot where the explosion occurred), LIGO was able to triangulate the gravitational wave source well enough to confirm that they were receiving radiation from the same source.

That, to my mind, is a smoking gun. LIGO saw something in the sky, and when other detectors were pointed there, they saw it too.

1 nC due to the electrostatic pushers. This makes LIGO a sensitive radio receiver! LIGO has a 20 MHz radio receiver (wrong freq to veto a 100 Hz radio chirp). LIGO also has a time sampled magnetometer(probably not sensitive enough to detect the small amplitude radio wave needed to cause the $10^<-21>$ strain). Has LIGO discovered electric dipole radio emission from the binary neutron stars (one star charged + and the other -)? They would still be spinning down from GW radiation and the EM radiation would have a similar chirp waveform. $endgroup$ &ndash Gary Godfrey Apr 28 '18 at 22:43

Firstly you have misunderstood the recent article about the black holes at the centre of the galaxy. The finding is that there may be tens of thousands of stellar mass black holes orbiting the central supermassive black hole. The supermassive black hole typically has a mass of several million stellar masses, so the ten thousand or so smaller black holes orbiting it make very little difference.

You suggest that the ten thousand black holes in the centre of the galaxy should collide frequently, but direct black hole collisions are so improbably they essentially never happen. That's because black holes are tiny compared to the distances between them. The collisions happen when two black holes are orbiting each other and that orbit gradually decays due to the emission of gravitational waves. This orbital decay is very, very slow. Take for example the Hulse-Taylor binary. We can measure the orbital decay to high precision, and it's going to take about $300$ million years before the two stars eventually collide and merge. So ten thousand such systems would give a merger roughly every $30$ thousand years - don't hold your breath!

But back to the main point of your question. The merger of two black holes is now a well understood problem and the gravitational radiation emitted during the process can be calculated to a high accuracy. The shape of the GW pulse emitted depends on the masses of the two black holes, along with various other properties like their spins, so the masses can be calculated from the gravitational waves received by LIGO. The merger of a stellar mass black hole with the supermassive black hole would give a very different signal to the merger of two stellar mass black holes so it would be easily distinguished.

Finally, background noise is a very important consideration in LIGO and the team have gone to great lengths to eliminate it. That's why the observatories are a long way from each other. Seismic events are easily distinguished because they propagate at the speed of sound (in rock) while gravitational waves propagate at the speed of light. By comparing the times the signals are received at the three detectors sesimic events can be eliminated.


Virgo Joins LIGO in Detection of Gravitational Waves

On September 27, researchers from the Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) and the Advanced Virgo Detector announced their joint detection of a gravitational wave signal from the coalescence of two black holes. The observation by three detectors (two from LIGO and the Virgo detector) allows the teams to improve their ability to identify where in the sky the waves are coming from. The announcement was made at a meeting of the G7 science ministers in Turin, Italy, and a paper describing the detection has been accepted for publication by the APS journal Cartas de revisión física.

Aerial view of the Virgo gravitational wave detector near Pisa, Italy

The signal, which was observed on August 14, 2017, comes from a merger of a black hole 30.5 times the mass of the sun with another black hole 25.3 times the mass of the sun. The event occurred 540 megaparsecs from Earth, or about 1.8 billion light years away. Because the gravitational wave detection network involves three detectors, the researchers have been able to narrow down the location of the signal source by a factor of nearly 20 compared with LIGO’s previous detections.

Each of three detectors, LIGO’s two in Hanford, Washington, and Livingston, Louisiana, and Virgo in Pisa, Italy, recorded the characteristic “chirp” signal of the black holes circling each other, then speeding up and merging. By comparing the waves’ arrival time at each detector, the researchers were able to improve the determination of the source direction. Previous detections by LIGO involved two detectors, which meant that the mergers could only be identified as lying somewhere in large swathes of the sky.

"This signal has been traveling for almost 2 billion years towards Earth," said Jo van den Brand, spokesperson for the Virgo collaboration. "The signal was first detected by the LIGO detector in Louisiana, then 8 milliseconds later by the LIGO detector in Hanford, then 6 milliseconds after that, by the Virgo detector."

Brand said that this heralds a new era of "multi-messenger" gravitational wave astronomy. "With this triangulation, we can locate the source that is emitting these gravitational waves, and this is important because we expect that many such merger events emit other messengers, such as light, x-rays, radio waves, neutrinos, or other sub-atomic particles. These can be studied by both astronomers and astroparticle scientists."

In addition to better localizing the gravitational wave source, the participation of Virgo means that the polarization of the waves can be studied. Like other kinds of waves, gravitational waves oscillate in specific directions. LIGO’s detectors are oriented in similar ways, so they were unable to sense the oscillation direction. Virgo is oriented in a way complementary to LIGO, so the three detectors can together analyze the wave polarization. With this information, even more stringent tests of general relativity should become possible.

"We were really eager that Virgo join us in this endeavor," said LIGO spokesperson David Shoemaker. "This information that comes from position is an amazing addition. We can use this information from pointing to give to our traditional astronomy colleagues - telescopes on the ground and satellites - so that we can do this next step of multi-messenger astrophysics." He added, "The future is incredibly bright for the Virgo-LIGO network."