Divulgación ¿Que se mueve cuando se generan ondas gravitacionales?

[inakigarber]

Buenas noches;

No se si la comparación que hago es una buena idea. Imaginemos una ola en alta mar. Podemos ver que la ola se desplaza, por ejemplo hacia adelante. Podríamos pensar que cada molécula de agua se desplaza con la ola, pero cada molécula solo sigue un movimiento oscilante izquierda-derecha y arriba-abajo. En el caso de las ondas sonoras el caso es ligeramente distinto ya que las moléculas siguen un movimiento adelante-atrás en el plano de propagación de la onda. Sin embargo en el caso de las ondas gravitatorias no consigo entender que es lo que se mueve. Se dice que dichas ondas son deformaciones del espacio-tiempo. ¿Es por tanto la deformación del espacio tiempo lo que se mueve?

Saludos y gracias.

[Richard R Richard]

Hola, cualquier onda desplaza energía, lo que varia es la forma en que esa energia se desplaza. Siempre que analizábamos en sistemas de referencias cartesianos, al propio espacio lo considerabamos inmutable, las ondas viajaban sin interferir con el espacio.
Luego nos pasamos a un espacio tiempo relativista donde hay relación entre las coordenadas espaciales y temporales, de modo que hay un límite a la velocidad de propagación de ondas y las fórmulas de composición e interferencia cambian, pero aún así en espacio tiempo de Minkowski, cualquier diferencia de coordenadas espaciales permanece constante con el tiempo.
Luego en Relatividad general vimos que la energía deforma el espacio tiempo, la diferencia entre coordenadas esta influida por el contenido de energía de una masa que gravita, o que puede cambiar con el tiempo debido al contenido de materia oscura expandiendo la distancia entre dos puntos del espacio medidos diferentes tiempos.
Ahora se ve una propiedad más flexible del espacio ,no inmutable.
Bien lo que viaja en la onda gravitacional, es una perturbación del propio espacio tiempo, la propia energía de la onda lo deforma localmente, varía la distancia entre dos puntos cualesquiera del espacio alcanzado.
La onda es transversal intuitivamente parece lo contrario que debe ser longitudinal, pero si pones un brazo en dirección al origen de la perturbación este no varía de longitud y si los perpendiculares.
Las ondas detectadas son débiles, si fueran más potentes cambian de posición los átomos de estructuras grandes, disipan algo de su energía en la materia, y a escala planetaria desencadenarían terremotos.
En definitiva no hay nada material que se mueva sino que es una perturbación de tu propio sistema de referencia, que te puedes dar cuenta que sucede por la interacción con aquello que tiene una característica invariante en el espacio tiempo, por ejemplo la velocidad de la luz, los tiempos de viaje de señales de luz por los brazos de un interferómetro varía si su longitud varía y de allí que las podamos detectar.

[inakigarber]

Buenos días.

Muchas gracias por tu respuesta.

Vamos a ver si voy entendiendo el asunto. lo que quieres decirme, es que cuando se produce un evento generador de ondas gravitacionales son las coordenadas del marco de referencia las que oscilan de una forma transversal a como se propagan las ondas gravitatorias. Veamos, supongamos que tengo un dispositivo compuesto de tres brazos perpendiculares entre sí. uno de los cuales apunta en la dirección de la procedencia de las ondas los otros dos no. Si no entiendo mal, el primero no experimentara ningún cambio en su medida, los otros dos sí. Esto es lo que me resulta difícil de comprender. El único ejemplo que me viene a la cabeza es el de un corcho en la superficie del agua, pero me resulta claramente insatisfactorio.

[Richard R Richard]

Hola, a ver si puedo tirar de otra analogía mas o menos burda, no imagines el corcho, imagina una tabla de surf sobre el mar ,montas una ola, dime a que velocidad se mueve la tabla respecto de la ola, cero no?. Bueno en comparativa existirá un foton salido de un brazo paralelo que viaje junto con la onda gravitacional , si coincide en posición y tiempo con la cresta de la onda viajará recorriendo c metros por segundo en ese espacio comprimido o expandido, lo mismo que si no hubiese onda, el no ve diferencia entre escenarios, y los detectores en los extremos tampoco.
Pero si la onda mueve lateralmente un espejo del interferómetro, mientras el foton esta en viaje, la longitud al espejo cambia, minúsculamente pero algo al fin haciendo interferencia al regresar. Recorre una curva en vez de una recta,por eso hay diferencia de camino, luego de tiempo y fase.
Ten en cuenta que un brazo se toma de referencia respecto de los otros, si es el paralelo cualquier sensor que quiera medir ese movimiento también es afectado por la onda y no notará diferencia, el efecto se compensa. Es como si quieres medir la velocidad de la ola apuntando entre sensores que están en los extremos de la tabla, si la longitud de la tabla varia lo hace en la misma proporción el recorrido del foton, los efectos se cancelan.
Entonces solo se ven cambios en los perpendiculares respecto del paralelo, igualmente este ejercicio mental, es algo diferente a la práctica con los interferometros.
Para calcular la dirección y sentido de la onda, se hace por diferencias de tiempo en relojes sincronizados entre laboratorios ,cuando la señal interfiere, habrá laboratorios con un retraso respecto de otro según su distancia relativa en la posición de la superficie del planeta , algunos le llega antes y a otros despues y del mismo modo que los GPS calculan diferencia de tiempos, se tringula un lugar en el espacio de donde llega la onda.
Una cuestión importante y pendiente es ser sumamente rápidos en la detección y proceso de las señales para alertar a telescopios que pudieran apuntar en vivo y directo el evento que produce la onda, son milisegundos de duración y no se sabe de donde va a venir la onda, hoy por hoy se solicita a otros observatorios en colaboración que pudiesen tener registros de observaciones en ese sector del cielo a la hora precisa, para ver si hay acompañamiento de señales en alguna banda de frecuencias del espectro electromagnético y estudiar cual fenómeno físico lo produjo.

[inakigarber]

Buenas noches;
Creo que no he entendido bien la cuestión y que estoy dando palos de ciego.

Supongamos que tengo una región del espacio en la que tengo una masa central esférica y nada más. A esta distribución de masa-energía le correspondería un determinado tipo de métrica. Ahora supongamos que esa masa central ha colapsado de una forma tal que no ha mantenido la simetría esférica durante su colapso. Esto genera ondas gravitacionales y por tanto que al menos parte de la masa-energía se ha extendido por el espacio. Por tanto, podríamos pensar que las ondas gravitacionales implican cambios en la distribución de masa-energía.

¿Es así?

[Richard R Richard]

Es así para cualqier cambio espacio temporal.

Si te alejas un poco del sistema solar, disponiendo de sensores muy sensibles valga la redundancia, podrías detectar las ondas provocadas por el alejamiento y acercamiento de los planetas en sus órbitas.
Un colapso o un estallido implica la variación de la densidad de energía en una región, cambia la curvatura, se expulsa energía y masa, y ese cambio debe propagarse en todas direcciones y obviamente en forma de onda, un frente onda.
Cuando dos objetos muy masivos y lejanos se orbitan y se terminan uniendo, ese último baile, cambia muy rápida y periódicamente la distancia a cada masa respecto de nosotros, y eso es lo que detectan en Ligo, una serie de variaciones de longitudes del brazo mucho más pequeñas que cualquier variación ambiental natural o artificial , Pasada esa fusión la curvatura permanece constante y no hay onda que medir. Así que para que haya una onda tiene haber una variación en la distribución de la energía, ese cambio se propagación a la velocidad de luz como una onda. Un colapso sin rotación previa, aparte de poco común , no sería fácil de detectar, pero una única alteración en vez de varias en un lapso mucho mayor ( y eso que son solo milisegundos) de perturbación.