Espacio, tiempo y ondas gravitacionales€¦ · Ondas Gravitacionales CERN 3 de agosto de 2018 11 Movimiento En nuestro universo, es imposible distinguir entre sistemas en movimiento

Espacio, tiempo y ondas

gravitacionales

Luis Roberto Flores Castillo

The Chinese University of Hong Kong

Spanish Language Teacher Program

CERN

Agosto 3, 2018

Ondas Gravitacionales CERN 3 de agosto de 2018 2


Sólo nos llega la luz … ¿Qué tan rápida es la luz?

• Un automóvil: 130 km/h = 36 m/s

• Avión comercial: 900 km/h = 250 m/s

• El sonido: 1,225 km/h = 340 m/s

• Satélite de GPS: 14,000 km/h = 3.8 km/s

• La luz: 300,000 km/s

y aún así …


La Luna: 1.3 segundos


El sol: 8.3 minutos


A la estrella más cercana: 4 años

De un extremo a otro de nuestra galaxia: 100,000 años


Andrómeda: 2.5 millones de años


El objeto más lejano observado: 13,140 millones de años


Grandes misterios en lo muy familiar

¿Qué es, pues el tiempo? Si nadie me lo pregunta, lo sé; si

quiero explicarlo a quien me lo pide, no lo sé.

San Agustín

Confesiones, Libro XII

• Movimiento

• Espacio

• Tiempo


Movimiento

Si existiera sólo un objeto en el universo

• ¿Puede estar en movimiento?

• ¿Cómo saber si lo está?


Movimiento

En nuestro universo, es imposible distinguir entre sistemas en

movimiento rectilíneo uniforme.

En vez de una esfera, imagínate en un laboratorio flotando en el espacio

a velocidad constante.

Ningún fenómeno físico dentro del laboratorio puede medir esa velocidad.


Movimiento

Pero qué sucede si el laboratorio está girando?

Qué le indica a los objetos en el laboratorio que deben volar hacia

las paredes!!!??


Espacio

¿Qué es el espacio?

¿Es algo en sí mismo?

¿o lo único existente son los objetos, y la palabra “espacio” es

nuestra forma de hablar de la relación entre ellos?


Tiempo

¿Qué es el tiempo?

Si existiera sólo un objeto en el universo, sin estructura ni

partes móviles, ¿habría tiempo?


• James Clerk Maxwell:

– Electricidad + magnetismo = luz !!

– Pero también un problema: incompatible con la mecánica de Newton

– Cuál corregir?

• Albert Einstein 1

– Modificar nuestros conceptos de espacio y tiempo

– En vez de dos magnitudes independientes, forman un mismo objeto

• Albert Einstein 2

– Este nuevo objeto (el “espaciotiempo”) puede deformarse!

– … y con ello explicar la gravedad.

Tres grandes síntesis

Teoría Especial de la Relatividad

Teoría General de la Relatividad


Curvatura y movimiento


Curvatura y movimiento

“El espaciotiempo le dice a la materia cómo moverse; la

materia le dice al espaciotiempo cómo curvarse”

John A. Wheeler


Predicciones de la TGR

Precesión de la órbita de Mercurio



Desviación de los rayos de luz

Posición real

Posición aparente

Tierra












Hoyos negros



La expansión del universo



Ondas gravitacionales • Ondas del espaciotiempo mismo

• Se propagan a la velocidad de la luz

• Descubiertas mediante la medición de

un pulsar binario (PSR B1913+16)

• LIGO: Primera detección directa!!


Efecto de las ondas gravitacionales

Al pasar, una onda gravitacional modifica el espaciotiempo

Cambian las longitudes y los intervalos temporales



Cambios de longitud:

ΤΔ𝐿 𝐿 ≈ 10−21

La distancia de aquí a la estrella más cercana

(4 años luz) cambia por el ancho de un cabello.

La gravedad es muy débil

Dada la distancia a cualquier fuente potencial de ondas gravitacionales,

sólo eventos extremadamente violentos pueden detectarse

Ondas Gravitacionales CERN 3 de agosto de 2018



Cómo detectar un efecto tan pequeño?


Detectores


L I G O Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory

Observatorio de ondas gravitacionales por interferometría Laser


L I G O

Hanford

Livingston


Observación!

• 14 de septiembre de 2015, 5:51am,

a días del inicio de la toma de datos

• 5 meses de análisis y validación

• Anunciado el 11 de febrero de 2016


Observación!


Implicaciones


Resultados del Análisis

• La señal corresponde dos hoyos negros en órbita

– Uno de 29 veces la masa del sol

– El otro: 36 veces la masa del sol

• … que se mezclaron en uno solo

– La aproximación final duró menos de un cuarto de segundo

– Cada uno viajaba a casi la mitad de la velocidad de la luz


Fusión de los dos hoyos negros


Resultados del Análisis

• Hoyo negro resultante: 62 masas solares

– Hoyos negros originales: 29 + 36 = 65 masas solares

– Tres masas solares convertidas en energía!!

– Radiadas como ondas gravitacionales

• El destello

– La potencia del destello fue 50 veces mayor que la de todo el universo observable

– Viajando a la velocidad de la luz

– Sucedió hace 1,300 millones de años


Importancia

• Primera detección directa de ondas gravitacionales

• Existencia de hoyos negros de ~ 30 veces la masa del sol

• Existencia de los hoyos negros binarios

• Primera detección directa de la fusión de hoyos negros

• Primera medición de las propiedades del espaciotiempo en campos

gravitacionales intensos y altas velocidades

• Confirmación de las predicciones de la TGR para la dinámica de hoyos

negros en condiciones extremas

• … y una más, quizás la más importante ...


El universo en luz visible


En microondas


En infrarrojo


En ondas de radio


En rayos gama


En ultravioleta


En rayos X


En ondas gravitacionales


Observatorios de ondas gravitacionales


En ondas gravitacionales

Marca el inicio de un nuevo tipo de astronomía

• Propiedades de los hoyos negros

• Dimensiones adicionales

• Evolución de estrellas y galaxias

• Astrofísica relativista

• Contenido del universo

• Naturaleza de la energía oscura y de la

materia oscura


~ 5%

~ 25%

~ 70%



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