Pregúntele a Ethan: ¿A qué velocidad viajan las ondas gravitacionales?

Una de las predicciones más inesperadas de la Teoría general de la relatividad de Einstein es la existencia no solo de materia, radiación y otras formas de energía basadas en partículas, sino también la existencia de radiación gravitacional en sí misma, una "onda" fundamental en la estructura del espacio-tiempo. Este es uno de los conceptos más difíciles de entender, y nuestro lector quiere aprender más sobre este tema: las

ondas gravitacionales son perturbaciones del viaje en el espacio-tiempo a una velocidad de c. Sin embargo, el espacio-tiempo puede expandirse y contraerse más rápido. Pero la expansión, seguida de la contracción, es, de hecho, la definición de una onda de compresión. Parece ser una paradoja: las ondas gravitacionales se mueven con velocidad c, pero para ellos parece existir la posibilidad de un movimiento superluminal. ¿Cómo resolverlo?

Para comenzar, comencemos con el concepto de esta radiación y cómo aparece.



En el electromagnetismo, incluso en el clásico, solo hay dos cosas necesarias para la aparición de la radiación electromagnética: la carga y el campo a través del cual se mueve. Una carga eléctrica puede ser positiva (como un protón) y negativa (como un electrón), y si se mueve en un campo magnético, la acelerará y girará, enviándola en una trayectoria cíclica o espiral.

Cuanto más fuerte es el campo, mayor es la velocidad y mayor es la relación de carga a masa, mayor es la aceleración (o cambio de movimiento).



Pero en tales interacciones, la energía y el impulso deben conservarse, por lo tanto, en el electromagnetismo cada vez que un campo externo acelera una carga, tiene que emitir radiación. Se manifiesta en forma de fotones y se llama, según el método de aparición, bremsstrahlung (alemán: Bremsstrahlung), ciclotrón o radiación sincrotrón .

En la física newtoniana, no habría radiación gravitacional, pero la relatividad general de Einstein lo cambia todo. Las fuentes masivas, como las partículas, tienen un análogo de la carga gravitacional, y el espacio curvo es un análogo del campo gravitacional. Cada vez que una partícula masiva se mueve en un espacio curvo, y puede curvarse fuertemente junto a una estrella, una enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro, emitirá un análogo de radiación electromagnética: radiación gravitacional.



Esta nueva forma de radiación no será un fotón o algún otro tipo de radiación, sino una onda gravitacional que se propaga en la estructura misma del espacio. Para una masa del orden de la Tierra, que gira alrededor del Sol, la radiación gravitacional es tan pequeña que un cambio notable en la órbita debería tomar alrededor de 10¹⁴⁰ edades del universo. Nunca nos daremos cuenta de esto. Pero para sistemas con masas más grandes, distancias más cortas y campos más fuertes, las consecuencias son más serias: para púlsares dobles, orbitando alrededor de un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia o fusionando agujeros negros. En tales casos, se puede observar una disminución en la órbita, y debido a la necesidad de conservar energía, sabemos que algo se la quita.



Esto debería ser radiación gravitacional (también son ondas gravitacionales), y gracias a la observación de púlsares dobles, ¡sabemos que la velocidad de esta radiación debe ser igual a la velocidad de la luz con una precisión del 0.2%! En otras palabras, las ondas se mueven a través del espacio a la misma velocidad que los fotones. La principal diferencia es que, en el caso de la radiación gravitacional, estas ondas son una parte integral de la estructura del espacio.



Entonces, ¿qué sucede si estas ondas, como se describe en la pregunta del lector, no se crean en un espacio estático, sino en un Universo en expansión? Se estiran y expanden, al igual que los fotones.

La longitud de onda de un fotón que viaja en un universo en expansión se extiende junto con la expansión del espacio. La concentración y la energía de estas partículas disminuyen, y aunque siempre se propagan a la velocidad de la luz, la distancia entre la fuente y el observador aumenta. Por ejemplo, al comienzo del gran Big Bang, hace 13.8 mil millones de años, solo 10 ^-33 segundos después de la inflación:
• El fotón que nos llegó hoy estaría a solo 100 metros de nosotros hace 13.8 mil millones de años.
• Viajaría 13.8 mil millones de años, y viajaría 13.8 mil millones de años luz a través de un universo en expansión, y su longitud de onda aumentaría en 28 órdenes de magnitud.
• La fuente del fotón que nos llegó hoy estaría a 46.1 mil millones de años luz de nosotros.



¿Suena loco? ¡Esta misma locura está sucediendo con las ondas gravitacionales! Las ondas gravitacionales también deben propagarse a través del Universo en expansión, también moverse en el espacio a la velocidad de la luz (expandiéndose o no), y su longitud de onda se extiende como los fotones. Las ondas gravitacionales "cabalgan" sobre la estructura del espacio de la misma manera que las ondas de agua "cabalgan" sobre la superficie del agua. Si dejas caer una piedra en un río, las ondas no solo se extenderán a lo largo del radio. Se extenderá hacia afuera, y al mismo tiempo será arrastrado por el río.



Las ondas gravitacionales en la estructura del espacio se comportan aproximadamente de la misma manera: las ondas se mueven a la velocidad con la que siempre se mueven en el medio, a la velocidad de la luz c, pero a veces el medio también se mueve. Esto no significa que excedan la velocidad de la luz, así como los fotones no la exceden cuando están a 46 mil millones de años luz de la fuente desde la que comenzaron su viaje hace 13,8 mil millones de años. Las ondas gravitacionales se comportan como deberían. La contraparte de la compresión y la expansión es realmente muy buena. Una onda que pasa distorsiona la estructura del espacio, y todas las cosas y partículas en él, estirándolos y comprimiéndolos de cierta manera.



Pero se propaga a través del Universo a la velocidad de la luz y teniendo en cuenta cómo se comporta la estructura del espacio: se expande, contrae o permanece estático. Esta es la solución a la paradoja: ¡las olas viajan a una velocidad c, independientemente de lo que le ocurra al entorno por el que pasan!

Source: https://habr.com/ru/post/es401307/