¿Qué son las ondas gravitacionales? ¿Tiene algo que ver con la gravedad?
Varios detectores de ondas gravitacionales se encuentran en construcción u operación. Por ejemplo, Advanced LIGO (aLIGO) se ha estado ejecutando desde 2065438+septiembre de 2005.
Las posibles fuentes de detección de ondas gravitacionales incluyen sistemas estelares binarios compactos (enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros). El 11 de febrero de 2065438, el equipo de Colaboración Científica LIGO y el equipo de Colaboración Virgo anunciaron que utilizaron el detector LIGO avanzado para detectar la señal de ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros duales por primera vez.
En la madrugada del 26 de junio de 2016, el Grupo de Colaboración LIGO anunció que a las 03:38:53 del 26 de febrero de 2015 (UTC), dos laboratorios ubicados en el distrito de Hanford, Estados Unidos, y Livingston , Luisiana, el detector de ondas gravitacionales de Taiwán detectó simultáneamente una señal de ondas gravitacionales; esta es la segunda señal de ondas gravitacionales detectada por humanos después de que LIGO 2015 detectara la primera señal de ondas gravitacionales el 14 de septiembre.
2017 10 El 16 de junio, científicos de muchos países del mundo celebraron una rueda de prensa al mismo tiempo, anunciando que los humanos habían detectado directamente por primera vez las ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos estrellas de neutrones. , y al mismo tiempo "vio" las ondas gravitacionales emitidas por este espectacular evento cósmico de señales electromagnéticas. En febrero de 2017, 17 fue seleccionado como uno de los cinco candidatos a palabras internacionales en el "Inventario de China 2017".
En la teoría general de la relatividad de Einstein, la gravedad se considera un efecto de la curvatura del espacio-tiempo. Esta flexión es causada por la presencia de masa. En general, cuanta más masa contenga un volumen determinado, mayor será la curvatura del espacio-tiempo en los límites de ese volumen. A medida que un objeto de masa se mueve a través del espacio-tiempo, los cambios en la curvatura reflejan cambios en la posición de estos objetos. En algunos casos, un objeto en aceleración puede cambiar esta curvatura y propagarse hacia afuera a la velocidad de la luz en forma de onda. Este fenómeno de propagación se llama ondas gravitacionales.
Cuando las ondas gravitacionales pasan a través de un observador, éste encontrará que el espacio-tiempo se distorsiona debido a los efectos de la tensión. Cuando pasa una onda gravitacional, la distancia entre los objetos aumenta y disminuye rítmicamente, lo que es diferente de la frecuencia de la onda gravitacional. La fuerza de este efecto es inversamente proporcional a la distancia entre las fuentes que producen las ondas gravitacionales. Se predice que el sistema binario de estrellas de neutrones en órbita será una fuente muy fuerte de ondas gravitacionales cuando se fusionen, debido a las enormes aceleraciones que generan cuando orbitan cerca una de otra. Debido a que generalmente están lejos de estas fuentes de terremotos, el impacto es muy pequeño cuando se observa en la Tierra y el impacto de deformación es inferior a 1,0E-21. Los científicos han confirmado la existencia de ondas gravitacionales utilizando detectores más sensibles. Actualmente, el método de detección más sensible es aLIGO, con una precisión de detección de hasta 1,0E-22. Actualmente se están planificando más observatorios espaciales (el proyecto eLISA de la Agencia Espacial Europea, el proyecto Tai Chi de la Academia China de Ciencias y el proyecto Qin Tian de la Universidad Sun Yat-sen).
Las ondas gravitacionales deberían poder penetrar lugares donde las ondas electromagnéticas no pueden. Por lo tanto, se especula que las ondas gravitacionales pueden proporcionar a los observadores en la Tierra información sobre los agujeros negros y otros objetos extraños en el universo distante. Estos objetos no pueden observarse mediante métodos tradicionales, como los telescopios ópticos y los radiotelescopios, por lo que la astronomía de ondas gravitacionales nos brindará una nueva comprensión del funcionamiento del universo. Las ondas gravitacionales en particular son más interesantes porque podrían proporcionar una forma de observar el universo primitivo, lo que no es posible en la astronomía convencional porque el universo es opaco a la radiación electromagnética antes de reunirse. Por lo tanto, la medición precisa de las ondas gravitacionales puede permitir a los científicos verificar más completamente la teoría general de la relatividad.
Al estudiar las ondas gravitacionales, los científicos pueden discernir qué sucedió en la singularidad inicial del universo. En principio, las ondas gravitacionales existen en todas las frecuencias. Es imposible detectar ondas gravitacionales de frecuencia extremadamente baja y no existe una fuente confiable de ondas gravitacionales en la región de frecuencia extremadamente alta. Según Stephen Hawking y Werner Israel, la frecuencia de las ondas gravitacionales que pueden detectarse debería estar entre 1,0E-7 Hz y 1E11Hz.
Las ondas gravitacionales pasan constantemente a través de la Tierra; sin embargo, incluso los efectos de las ondas gravitacionales más fuertes son muy pequeños y sus fuentes están lejos de nosotros. Por ejemplo, las ondas gravitacionales producidas por GW150914 en la etapa final de la violenta fusión llegaron a la Tierra después de viajar 1.300 millones de años luz. La mayoría de las ondas espacio-temporales solo cambiaron una diezmilésima parte del diámetro del protón del brazo de 4 kilómetros de LIGO, lo que equivale a llevar el sistema solar al cielo.
La distancia entre nuestras estrellas más cercanas cambia el ancho de una línea delgada. Estos cambios tan pequeños no pueden detectarse en absoluto sin el uso de detectores extremadamente sofisticados.
En los últimos sesenta años, muchos físicos y astrónomos han realizado innumerables esfuerzos para demostrar la existencia de ondas gravitacionales. La más famosa es la evidencia experimental indirecta de la existencia de ondas gravitacionales: el púlsar binario PSR1913+16. En 65438-0974, el profesor Joseph Taylor, físico de la Universidad de Massachusetts, y su alumno Halls utilizaron la radio estadounidense de 308 metros. telescopio para descubrir Un sistema estelar binario que consta de dos estrellas de neutrones aproximadamente de la misma masa que el Sol.
Dado que una de las dos estrellas de neutrones es un púlsar, utilizando su señal de pulso de radio periódica precisa, podemos conocer con mucha precisión el semieje mayor y el período de las órbitas de las dos estrellas compactas cuando orbitan alrededor de su centro de masa. Según la relatividad general, cuando dos estrellas densas orbitan entre sí a corta distancia, el sistema produce radiación gravitacional. Las ondas gravitacionales irradiadas quitan energía, por lo que la energía total del sistema será cada vez menor y el radio y el período orbital serán más cortos.
Taylor y sus colegas continuaron observando PSR1913+16 durante los siguientes 30 años. Los resultados observados son exactamente los predichos por la relatividad general: la tasa de cambio periódico disminuye en 76,5 microsegundos por año y el semieje mayor se acorta en 3,5 metros por año. La relatividad general puede incluso predecir que este sistema estelar binario se fusionará en 300 millones de años. Esta es la primera evidencia indirecta de que los humanos han obtenido la existencia de ondas gravitacionales y es una verificación importante de la teoría de la gravedad de la relatividad general. Thaler y Halls ganaron el Premio Nobel de Física en 1993. Hasta ahora, sólo se han descubierto unos 10 sistemas binarios similares de estrellas de neutrones. Pero el sistema dual de agujeros negros en esta reunión nunca ha sido descubierto, y esta es la primera vez.
En experimentos, la primera persona que hizo un gran intento de detectar directamente ondas gravitacionales fue Joseph Weber. En la década de 1950, fue el primer visionario en darse cuenta de que detectar ondas gravitacionales no era imposible. De 1957 a 1959, Weber trabajó en el diseño de un programa de detección de ondas gravitacionales. Al final, Weber eligió una varilla cilíndrica de aluminio de 2 metros de largo, 0,5 metros de diámetro y un peso de aproximadamente 1 tonelada, cuyo lado apuntaba en la dirección de llegada de las ondas gravitacionales. Este tipo de detector se denomina detector de varilla de resonancia en la industria: cuando llegan ondas gravitacionales, ambos extremos de la varilla de aluminio se apretarán y estirarán alternativamente cuando la frecuencia de la onda gravitacional sea consistente con la frecuencia de diseño de la varilla de aluminio. La varilla de aluminio resonará. El chip adherido a la superficie de la varilla de aluminio generará una señal de voltaje correspondiente. El detector de varilla resonante tiene limitaciones obvias. Por ejemplo, su frecuencia de resonancia es fija, aunque podemos ajustar la frecuencia de resonancia cambiando la longitud de la varilla resonante. Pero para el mismo detector, sólo se puede detectar la señal de onda gravitacional de su frecuencia correspondiente. Si la frecuencia de la señal de la onda gravitacional es inconsistente, entonces el detector no puede hacer nada. Además, el detector de varilla resonante tiene una limitación importante: las ondas gravitacionales distorsionarán el espacio-tiempo. Cuanto más largo sea el detector, mayor será el cambio en las ondas gravitacionales a lo largo de esta longitud. El detector de resonancia de Weber medía sólo 2 m, y la tensión (2e-21 m) de una onda gravitacional con una intensidad de 1E-21 era demasiado pequeña, por lo que era casi imposible para los físicos de las décadas de 1950 y 1960 detectar un cambio de longitud tan pequeño. Aunque el detector de varilla resonante finalmente no logró detectar ondas gravitacionales, Weber fue pionero en la ciencia experimental de las ondas gravitacionales. Después de él, muchos físicos jóvenes y talentosos se dedicaron a la ciencia experimental de las ondas gravitacionales.
Mientras Weber diseñaba y construía la varilla resonante, algunos físicos se dieron cuenta de las limitaciones de la varilla resonante, por lo que idearon el plan de detección del interferómetro láser de ondas gravitacionales basado en el principio del interferómetro de Michelson mencionado anteriormente. Fue construido en la década de 1970 por Rainer Weiss del MIT y Robert Forward del Laboratorio Malibu Hughes. A finales de la década de 1970, estos interferómetros se habían convertido en una alternativa importante a los detectores de varillas resonantes. Las ventajas del interferómetro láser para varillas resonantes son obvias: en primer lugar, el interferómetro láser puede detectar señales de ondas gravitacionales dentro de un cierto rango de frecuencia; en segundo lugar, la longitud del brazo del interferómetro láser puede ser muy larga; Por ejemplo, la longitud del brazo de un interferómetro de ondas gravitacionales terrestre es generalmente del orden de kilómetros, mucho más larga que la varilla resonante.
Además del aLIGO que acabamos de mencionar, existen muchos otros observatorios de ondas gravitacionales. Virgo; ubicado cerca de Pisa, Italia, con una longitud de brazo de 3 kilómetros; Geografía tiene una longitud de brazo de 600 metros en Hannover, Alemania; la longitud de brazo del Observatorio Nacional de Tokio en Japón es de 300 metros. Los detectores observaron juntos entre 2002 y 2011, pero no detectaron ondas gravitacionales. Por eso estos detectores se han mejorado enormemente. Dos detectores LIGO de alta tecnología comenzaron a observar en 2015 como la vanguardia de una red de detectores de alta tecnología altamente sensibles, y el Virgo de alta tecnología (Virgo mejorado) también comenzará a operar a finales de 2016. El proyecto japonés TAMA300 ha sido completamente modernizado, con un brazo de longitud aumentado a 3 kilómetros, rebautizado como KAGRA y se espera que esté operativo en 2018.
Los físicos también se dirigen al espacio porque son vulnerables a las interferencias en tierra. Proyecto europeo de ondas gravitacionales espaciales eLISA (Evolved Laser Interference Space Antenna). ELISA constará de tres detectores idénticos que forman un triángulo equilátero con una longitud de lado de 5 millones de kilómetros y también utilizará interferometría láser para detectar ondas gravitacionales. Este proyecto ha sido aprobado por la Agencia Espacial Europea y lanzado oficialmente. Actualmente se encuentra en etapa de diseño y su lanzamiento está previsto para 2034. Como proyecto de prueba, el 3 de febrero de 2015 se lanzaron con éxito dos satélites de prueba que actualmente se están depurando. Además de participar activamente en la actual cooperación internacional, los investigadores científicos chinos también están preparando sus propios proyectos de detección de ondas gravitacionales.