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Ondas gravitatorias: la banda sonora del Universo

En 1915 Albert Einstein present su obra maestra, su nueva teora de la gravitacin: la Relatividad General.En 1916 publicaba su primer artculo sobre las ondas gravitatorias....pero Einstein pens que las ondas gravitatorias eran demasiado dbiles para ser detectadas. Un siglo de Relatividad General

Relatividad especial

E = m c2

x = (x v t)

Espacio/Tiempo(Geometra)Materia/Energa10-43

De acuerdo con la teora de Einstein, la gravedad no es una fuerza sino que est relacionada con la curvatura del espacio-tiempo. Cuando la materia se mueve, la curvatura del espacio-tiempo debe cambiar para seguirla. Pero el espacio-tiempo tarda un cierto tiempo a reaccionar, ya que la informacin slo puede propagarse a la velocidad de la luz, y se forman ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo. Estas ondulaciones del espacio-tiempo son las ondas gravitatorias.Olas en el ocano csmico

El espacio-tiempo le dice a la materia cmo moverse, la materia le dice al espacio-tiempo cmo curvarse. John Wheeler

Una nueva ventana al UniversoLos objetos masivos en aceleracin o en rotacin deberan causar perturbaciones en el espacio-tiempo que formaran ondas de gravedad. Cmo observarlas?...

La Astronoma es una disciplina observacionalMilosav Druckmuller (Brno University of Technology)Patagonia y comenta McNaught

Crditos: Damia Bouic NASA, JPL-Caltech, MSSS

Cometa Churyumov-Gerasimenko (ESA, Rosetta)

TW Hya (ESO, ALMA)

Formacin estelar mltiple (ESO, ALMA)

InfrarrojoRadio

UltravioletaRayos X

La luz

Rayos X Ultravioleta Visible Infrarrojo Radio SaturnoSolUltravioleta Visible Infrarrojo Radio http://www.ipac.caltech.edu/Outreach/Multiwave/multiwave.html

1515Astronomers use telescopes to study objets at all wavelngths. Here you see examples of objects at multiple wavelengths: Saturn, and the Sun Taken from http://www.ipac.caltech.edu/Outreach/Multiwave/multiwave.html

Los fenmenos ms exticos y violentos del universo producen las ondas gravitatorias de mayor intensidad.

Colisiones de agujeros negros, explosiones de estrellas supernova, estallidos de rayos gamma...

Una nueva ventana al universoIncluso se podra observar lo que pas justo despus del Big Bang, cuando el universo no tena ni 1 segundo de edad. Esta informacin no podemos conseguirla de ninguna otra forma, porque el universo no fue transparente a la luz hasta 380.000 aos despus de la Gran Explosin.

El reto en astronoma de ondas gravitatorias es detectarlas y extraer la informacin que contienen.

Una nueva ventana al UniversoEn la historia de la astronoma cada vez que se ha abierto una nueva banda en el espectro electromagntico ha habido grandes descubrimientos.

Las ondas gravitatorias no son simplemente una nueva banda, son todo un nuevo espectro con propiedades diferentes y complementarias a las ondas electromagnticas.

Vibraciones del espacio-tiempo, no en el espacio-tiempo.

Producidas per el movimiento de grandes masas a casi la velocidad de la luz y no por vibraciones de electrones en tomos.

PlanckLa astronoma de ondas gravitatorias es una nueva ventana, nica del Universo.OGs

Propiedades de las ondas gravitatoriasDe naturaleza y propiedades distintas de las ondas electromagnticas, la deteccin directa y su estudio puede provocar una revolucin de los conceptos actuales del universo.

Ondas electromagnticas = VER Ondas gravitatorias = OIR

Al igual que la luz, las OG interaccionan con la materia: tienen dos polarizaciones (+ y x), que producen fuerzas de traccin y compresin.

~16 rdenes de magnitud. Desde las frecuencias ultrabajas de las ondas de radio a las ms altas de los rayos gamma.

Ondas electromagnticas

La frecuencia de la onda emitida depende de la masa del objeto y de su compacticidad: Objetos ms pesados emiten a frecuencias ms bajas, (200 MSol ,10 Hz).Objetos ms compactos emiten con mayor frecuencia.Las fuentes astrofsicas comunes emiten por debajo de varios kHz.Las OG podran existir a cualquier frecuencia, pero las directamente detectables estn en el rango de 10-9 Hz hasta 1011 Hz.Ondas gravitatorias

10-9 Hz10-4 Hz100 Hz103 Hz

Radiacin fsil

Cuerdas csmicas

AN supermasivos binarios

AN y EN binarios

Binarias coalescentes

ColapsosM/m

Supernovas

EN rotantes10-16 Hz

Inflacin

Interferometros en Tierra

Pulsar timingDetectores en elespacio

Evidencia indirecta de las ondas gravitatorias

Observaciones Prediccin de la TRG suponiendo la existencia de OGsR. HulseJ. TaylorEl primer plsar binario, PSR 1913+16, fue descubierto por Hulse y Taylor en 1974 (Premio Nobel 1993) . Taylor y Weisberg (1982) gracias a las medidas precisas de los pulsos emitidos por una de las estrellas de neutrones mostraron que el perodo orbital del sistema iba disminuyendo lentamente al ritmo predicho por la Relatividad General debido a la emisin de ondas gravitatorias.

23Cmo podemos detectar directamente las ondas gravitatorias?

24Tamao de las perturbacionesLas OGs comprimen el espacio en una direccin y lo estiran en la direccin perpendicular.

Los detectores de OGs han de medir desplazamientos del tamao de la milsima parte de un protn!!!

Time+polarizationxpolarization...equivalente a detectar el movimiento de Saturno si se acercase al Sol una distancia igual al dimetro de un tomo de hidrgeno!!!La perturbacin del espacio que se prev que se produzca cerca de la Tierra debido a eventos tales como la fusin de un par de estrellas de neutrones a unos 100 millones de aos luz de la Tierra es de aproximadamente una parte en 1022...

CaltechMIT

LIGO (Observatorio por Interferometra Lser de Ondas Gravitacionales) consta de dos observatorios de 4 km ubicados en Livingston, Louisiana, y Hanford, Washington, EE.UU.

Los observatorios LIGO estn financiados por la National Science Foundation. Fueron concebidos y construidos, y son operados por Caltech y MIT. LIGO Livingston

LIGO

www.ligo.orgLa investigacin en LIGO la lleva a cabo la Colaboracin Cientfica LIGO (LSC), 1000+ miembros, 90+ instituciones, 15 pases

Histrico!

Lunes 14 de septiembre de 2015, 11:50:45 CET: comienza una nueva era en astronoma: la astronoma gravitatoria.GW150914 fue detectado primero en L1 y ~7 ms despus en H1. La frecuencia aumenta de 35 Hz hasta unos 150 Hz en dos dcimas de segundo.En menos de 3 minutos el cdigo CWB (Coherent Wave Burst) registraba el evento.Hanford, WALivingston, LA

Fusin de 2 agujeros negros 36MSol + 29MSol Agujero negro resultante: 62 MSol Energa radiada: 3MSol c2 en una fraccin de segundo = produccin total de energa del Sol durante 3600 veces de la edad del Universo (El Sol al final de su vida tendr el 99.966% de su masa actual) Pico de energa liberada > 50 veces la de todo el Universo observable Desde una galaxia a 410 Mpc, z=0.09 (~1300 millones de aos luz)

A unos 1.300 millones de aos luz de nosotros, dos agujeros negros con masas 36 y 29 veces mayores que nuestro Sol se fusionaron. Al principio, estaban separados por una distancia discreta y su rotacin mutua era a velocidades razonables. Pero en cada giro, emitan una debilsima perturbacin gravitacional, con el resultado de ir perdiendo paulatinamente energa, acercndose cada vez ms entre s.

GW150914

Primer descubrimiento directo de ondas gravitacionales Primera observacin directa de agujeros negros Primera observacin directa de una fusin de agujeros negros Primer descubrimiento de agujeros negros de masa > 30 MSol Primera prueba de la relatividad general en campo g fuerte

1 MSol = 2.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 kg

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La red avanzada de detectores de OGsGEO600 (HF)2011 Advanced LIGO Hanford,Livingston 2015 Advanced Virgo2016LIGO-India2022KAGRA2018

LISA Pathfinder (lanzada por ESA el 3 de diciembre de 2015)

LISA - observatorio de ondas gravitatorias en el espacioEl Universo gravitatorio ser uno de los temas que sern explorados por las dos prximas grandes misiones de la ESA.

LISA est diseada para complementar a los observatorios de OG terrestres. Permitir observar, entre otros fenmenos, los agujeros negros supermasivos.

El lanzamiento de LISA est previsto para 2034.

Interfermetro con brazos de 1 milln de km

La Astronoma es una disciplina observacionalMilosav Druckmuller (Brno University of Technology)Patagonia y comenta McNaughtera!!!

13 800 MaosOndas gravitatorias primordiales

El fondo csmico de microondas observado por Planck: esta es la imagen msantigua del Universo de que disponemos. La luz fue emitida cuando el Universotena 380.000 aos. La edad del Universo es 13.820.000.000 aos.

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Historia del UniversoInflacin

El periodo inflacionario es la propia explosin que gener el Universo (el Bang del Big Bang) El periodo inflacionario ocurri en el instante 10-36 s, hasta el instante 10-33-10-32 s y el universo aument por lo menos 1026 veces su tamao. A partir de ese momento, ha seguido expandindose pausadamente, hasta ahora, 13.800 millones de aos despus. 10-36 s = 0,000000000000000000000000000000000001 s

1026 = 10.000.000.000.000.000.000.000.000 (10 cuatrillones)

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Historia del Universo

Podremos detectar estas ondas gravitatorias?

(Continuar)