Premio Nobel 2017: Detección de ondas gravitacionales
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El Premio Nobel de física para el año 2017 ha sido otorgado a Rainer Weiss (MIT), conjuntamente con Barry Barish y Kip Throne (ambos de Caltech), "por sus contribuciones decisivas al detector LIGO y a la observación de ondas gravitacionales". En este coloquio explicaré brevemente qué son las ondas gravitacionales y cómo su existencia fue predicha a partir de las ecuaciones de campo que Einstein planteó en 1915 para la relatividad general. Enfatizaré las analogías y las diferencias entre las ondas electromagnéticas (que obedecen las ecuaciones lineales de Maxwell) y las ondas gravitacionales (que obedecen las ecuaciones no-lineales de Einstein). Repasaré la historia de los proyectos LIGO y Virgo para la detección de las ondas gravitacionales mediante interferometría de láser, señalando algunos de los puntos esenciales de su diseño técnico, el cual ha permitido medir desplazamientos del orden de un diez-milésimo del diámetro de un protón. Comentaré por qué estos resultados auguran una nueva era de "astronomía gravitacional" y describiré los eventos reportados hasta ahora en que se ha visto la radiación gravitacional producida por el colapso de un sistema binario de agujeros negros. Concluiré con algunos comentarios sobre las perspectivas que esto abre para la física fundamental.
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- 1. Premio Nobel 2017: Detección de ondas gravitacionales Alejandro Jenkins Coloquio de la Escuela de Física Universidad de Costa Rica 18 de octubre del 2017
- 2. Una mitad del premio a Rainer Weiss y la otra mitad conjuntamente a Barry Barish y Kip Thorne, “por sus contribuciones decisivas al detector LIGO y a la observación de ondas gravitacionales”
- 3. Rainer Weiss (n. 1932, Berlín; estadounidense) Físico experimental, experto en instrumentos de alta precisión. Principal responsable del diseño del detector de LIGO. Profesor emérito, MIT
- 4. Barry C. Barish (n. 1936, Omaha, Nebraska) Físico experimental de altas energías. Director de LIGO 1997-2011. Profesor emérito, Caltech Kip S. Thorne (n. 1940, Logan, Utah) Físico teórico, experto en relatividad general. Impulsor del projecto LIGO. Profesor emérito, Caltech
- 5. Ronald W. P. Drever (1931, Bishopton, RU — 2017, Edinburgo) Físico experimental, co-inventor de técnica Pound-Drever-Hall de estabilización de láser. Co-fundador de LIGO. Profesor en U. de Glasgow y Caltech
- 6. Gravitación universal (1687) “Lagrange […] solía referirse a [Newton] como el mayor genio que había existido y luego añadía: y el más afortunado; solo se descubre una vez el sistema del mundo.” – J.-B. J. Delambre, Reseña de la vida y trabajos del Sr. conde J.-L. Lagrange (1867) Monumento a Newton en Trinity College, Cambridge, por L.-F. Roubiliac (1755) F = G mM r2
- 7. Relatividad restringida (1905) • Simetrías de ecs. de Maxwell para el electromagnetismo • Velocidad de la luz en el vacío es absoluta, c = 299 792 458 m/s • Confirmada por observaciones experimentales, incluyendo experimento Michelson-Morley (1897) • Se reduce a mecánica newtoniana para a bajas velocidades, v << c E = mc2 p 1 v2/c2 = mc2 + 1 2 mv2 + 3 8 m v4 c2 + . . . Albert Einstein en 1912
- 8. Principio de equivalencia Fuente: Youtube, Animations for Physics and Astronomy https://www.youtube.com/watch?v=qCx1AM2tkYI
- 9. Fuente: Youtube, Animations for Physics and Astronomy https://www.youtube.com/watch?v=NV2TvHoxwt4
- 10. Curvatura • Energía (incluyendo masa) curva el espacio- tiempo • Trayectorias inerciales de dos masas en un espacio curvo se acercan • Resultado es que parecen atraerse mutuamente http://columbia-physics.net/lecture_demonstrations/modern_physics.htm
- 11. Relatividad general energía no gravitacional curvatura del espacio-tiempo • Gravedad newtoniana aproximadamente válida para curvaturas pequeñas • Introduce correcciones y nuevos efectos de gran interés para la astronomía Rµ⌫ 1 2 gµ⌫R = 8⇡G c4 Tµ⌫
- 13. LIGO (Laser Interferometer Gravity-Wave Observatory) Sitio de Hanford, Washington, EE. UU. Fuente: https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20150731f
- 14. Sitio de Livingston, Louisiana, EE. UU. Fuente: https://ligo.caltech.edu/image/ligo20150731c
- 15. VIRGO Santo Stefano a Macerata, Cascina, cerca de Pisa, Italia Fuente: https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20170927e
- 16. Cronología, 1 • 1915: Einstein plantea ecs. de campo para la relatividad general • 1916: A partir de esas ecs., Einstein predice ondas gravitacionales (o.g.) • 1936: Einstein y Rosen escriben artículo argumentando que o.g. no son físicas; rechazado para Phys. Rev. por Robertson. • 1957: Bondi y Feynman independientemente argumentan que o.g. llevan energía y son, en principio, detectables • 1960: Weber propone detector resonante. Reporta detecciones no corroboradas de de o.g. en 1966 y ’69. • 1962: Gertsenshtein y Pustovoit proponen detector interferométrico • 1967: Weiss diseña interferómetro de láser con precisión limitada solo por “ruido de disparo” fotónico • 1974: Pulsar binario PSR 1913+16 consistente con pérdida de energía por radiación de o.g. (Nobel ’93, Hulse y Taylor)
- 17. Cronología, 2 • 1974: Weiss pide apoyo del NSF para desarrollar detector interferométrico de o.g.; Drever, Hough y otros en Glasgow construyen interferómetros con cavidades de Fabry-Pérot en los brazos • 1979: Thorne convence a Caltech de crear grupo dedicado a o.g., dirigido por Drever • 1990: NSF aprueba construcción de dos detectores de o.g. (LIGO), costo estimado $300 millones • 1994: Barish nombrado director de LIGO, pasa de colaboración Caltech-MIT a proyecto internacional • 1994-98: Construcción de detectores en Hanford, WA y Livingston, LA • 2000-03: Construcción de detector franco-italiano Virgo • 2015: Concluye upgrade en sensibilidad Advanced LIGO. Primera detección de o.g. pocas semanas después.
- 20. Interludio de teoría de campos MPl ⌘ r ~c 8⇡G Masa de Planck reducida: c = ~ = 1Unidades de partículas:
- 21. Espín
- 22. Birefringencia
- 23. Polarizaciones gravitacionales + “plus” : ⇥ “cross” :
- 24. Maxwell, 1 Aµ = (V, A)Potencial cuadrivectorial: B = r ⇥ ACampo magnético: E = rV A t Campo eléctrico: Aµ ! Aµ + µTransformación de gauge:
- 25. Maxwell, 2 Fµ⌫ ⌘ @µA⌫ @⌫AµTensor de Maxwell: @µFµ⌫ = ej⌫ Ecuación de Maxwell: @µjµ = 0Conservación de carga: El campo electromagnético no lleva carga → ecs. de Maxwell son lineares Para, en Lorenz gauge: ⇤Aµ = 0jµ = 0
- 26. Fierz-Pauli R(1) µ⌫⇢ = 1 2 (@⌫@⇢hµ + @µ@ h⌫⇢ @⌫@ hµ⇢ @µ@⇢h⌫ ) hµ⌫ ! hµ⌫ + @µ⇠⌫ + @⌫⇠µInvariante bajo transformación Ec. de Fierz-Pauli: R(1) µ⌫ 1 2 ⌘µ⌫R⇢ (1) ⇢ = 1 MPl Tµ⌫ @µTµ⌫ = 0Conservación de energía-moméntum: Tµ⌫ = 0 ⇤hµ⌫ = 0Para, en Einstein gauge: Tensor de Ricci: R(1) µ⌫ ⌘ n⇢ R(1) ⇢µ ⌫
- 27. Kraichnan et al. R(1) µ⌫ 1 2 ⌘µ⌫R⇢ (1) ⇢ = 1 MPl Tmat µ⌫ + Tgrav µ⌫ Como el campo gravitacional lleva energía-moméntum: Rµ⌫ 1 2 gµ⌫R = 1 MPl Tmat µ⌫Ec. de Einstein completa: Acoplamiento auto-consistente: Tgrav µ⌫ = MPl ✓ Rµ⌫ 1 2 gµ⌫R ◆ no lineal Por el principio de equivalencia podemos definir métrica: gµ⌫ ⌘ ⌘µ⌫ + hµ⌫ MPl
- 29. Radiación, 1 • En electromagnetismo, conservación de carga prohíbe radiación de monopolo • Sí hay radiación de dipolo • En gravedad, conservación de moméntum prohibe radiación de dipolo • Sí hay radiación de cuadrupolo • En ambos casos la radiación decae como 1/r • Tasa de cambio del cuádruplo para sistema binario ⇠ mR2 !2
- 30. Radiación, 2 h ⇠ GmR2 !2 rc4 !2 = Gm 4R3 3a ley de Kepler: RS ⌘ 2Gm c2 Radio de Schwarzschild: h ⇠ G2 m2 Rrc4 = R2 S Rr Justo antes de que dos agujeros negros se fusionen: R = RS ) h ⇠ RS r
- 31. Radiación, 3 RS ⇠ 100 km y r ⇠ 109 a˜nos luz ) h ⇠ 10 20 Flujo de energía: ⇠ !2 h2 ˙E ⇠ !6 m2 R4 ¡Mucho mayor que toda la luz del universo visible! 1052 W Potencia radiada en la última etapa de fusión de dos agujeros negros ~ Efecto pequeño por gran rigidez del espacio
- 33. Strain (deformación) h = L L B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and VIRGO Collaboration), PRL 116, 131103 (2016) Initial LIGO Advanced LIGO, 2015 Advanced LIGO, diseño Upgrade L ⇠ 1200 km h ⇠ 10 24 L ⇠ 10 18 m ⇠ 10 3 rp
- 34. Fusión de agujeros negros https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v10
- 37. GW170817 • Observación hecha el 17 de agosto del 2017 • Anunciada públicamente antier (16 oct. 2017) • Primera detección de o.g. por fusión de dos estrellas neutrónicas (kilonova) • Primera observación de contraparte electromagnética para el mismo evento
- 41. Perspectivas • Detección de ondas gravitacionales en 2015 corrobora predicción hecha por Einstein en 1916, de la que él mismo dudó luego • Análogo para espín 2 de ondas electromagnéticas • Heroico esfuerzo experimental: tecnología de láseres, interferometría, aislamiento mecánico, etc. • Nueva ventana al universo, complementa la astronomía electromagnética • Abundancia de agujeros negros muy masivos ya sugiere interrogantes fundamentales • Podría próximamente enseñarnos sobre inflación cósmica, materia oscura, nucleosíntesis, etc.
- 42. Fuentes • Audiovisuales: https://www.ligo.caltech.edu • Nobel Committee for Physics, Scientific background: The laser interferometer gravitational-wave observatory and the first direct observation of gravitational waves (2017) https:// www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/ 2017/advanced-physicsprize2017.pdf • R. D’Inverno, Introducing Einstein’s Relativity (Clarendon Press, 1992), cap. 20 • AJ, “Massless mediators”, cap. 2 en Topics in particle physics and cosmology beyond the standard model (tesis doctoral, Caltech, 2006) https://arxiv.org/abs/hep-th/0607239; “Constraints on emergent gravity”, Int. J. Mod. Phys. D 18, 2249 (2009) https:// arxiv.org/abs/0904.0453