Ona gravitacional

En física, les ones gravitacionals són definides com a deformacions de l'espaitemps, creades per l'acceleració d'una massa en aquest, que es propaguen en forma d'ones a la velocitat de la llum.^[1] Albert Einstein en predigué l'existència el 1916 basant-se en la seva teoria de la relativitat general.^[2] Les ones electromagnètiques (pertorbacions dels camps elèctric i magnètic) són produïdes per partícules amb càrrega accelerades. D'igual manera, les ones gravitacionals són produïdes per masses accelerades.^[3] La producció eficaç d'ones gravitacionals requereix masses i acceleracions molt importants. Així doncs, les fonts d'ones gravitacionals són principalment sistemes astrofísics amb objectes massius i molt densos, com ara les estrelles de neutrons o els forats negres, que poden suportar acceleracions d'aquesta magnitud.

La principal propietat de qualsevol ona gravitacional, i això és el que les fa tan especials, és que tenen la capacitat d'estendre i estrènyer el propi espaitemps al seu pas. Això és degut al fet que no són pertorbacions que viatgen en l'espaitemps, sinó que són pertorbacions de l'espaitemps mateix. El sentit físic que te això és que si considerem dos punts A i B separats per una distància x, veurem que quan passa una ona gravitacional entre ells x augmenta sense que A ni B s'hagi mogut.

Una altra de les propietats característica que tenen és que la seva velocitat de propagació és igual a la velocitat de la llum. Això permet que puguem triangular la posició de la qual procedeix una ona gravitacional.

Les altres propietats depenen del sistema que les hagi emès. Tot i així, en tenim algunes propietats:

Un sistema en rotació (sistema binari o cos en rotació sobre si mateix) genera ones gravitacionals al doble del període d'una rotació. És a dir, en cada òrbita o rotació generen dues longituds d'ona. D'aquesta manera podem saber que el període (T) de les ones gravitacionals és la meitat del període de l'òrbita. Això significa que la freqüència serà el doble de gran que la de l'òrbita. Finalment també ens permet saber que la longitud d'ona ${\displaystyle \lambda }$ serà: ${\displaystyle \lambda =T*c}$, on c és igual a la velocitat de la llum.

Per conèixer l'amplitud s'ha d'utilitzar una altra fórmula: ${\displaystyle A={\frac {G}{c^{4}}}{\frac {dI^{2} \over d^{2}t}{r}}}$. En aquesta forma G és la constant gravitacional de Newton, I és el moment d'inèrcia del cos i r és la distància a la qual et trobes respecte del cos que emet les ones. Com podem veure, hi ha la velocitat de la llum elevada a 4 en el denominador i G, que és molt petita, en el numerador. Això fa que el resultat de l'amplitud sigui molt petit pràcticament sempre.

El problema fins a l'actualitat per observar aquests cossos és que no emeten radiació electromagnètica, almenys directament. Però tampoc emet ones gravitacionals per si sol, ja que és un cos perfectament esfèric. Tot i això, el podem observar en dos formes:

Aquest és el fenomen que va permetre detectar directament ones gravitacionals per primera vegada. En aquest cas a mesura que els cossos s'ajunten augmenta el seu moment d'inèrcia, augmentant l'amplitud de les ones que emeten. Això fa que el senyal que arribi a la Terra sigui mínim menys en el moment de la col·lisió, en què augmenta exponencialment.

Aquests poden emetre ones gravitacionals, però realment no ho fan per ells sols. Les ones gravitacionals s'emeten a través de l'Extreme Mass Ratio Inspirals (EMRI). Aquest principi es basa en el fet que els cossos que orbiten al voltant del forat negre supermassiu són els que emeten les ones. Aquests fenòmens poden ser tan massius i accelerats que poden arribar a ser detectables.

Aquestes són explosions molt violentes que poden generar una acceleració tan gran de la seva massa que es formi una ona gravitacional puntual que viatgi com un únic pols. El seu principal problema és que és molt difícil que sigui suficientment energètic com per ser detectat. El més probable és que només es puguin arribar a detectar aquests fenòmens quan passen dins de la nostra galàxia, i això fa que no siguin tan comuns ni regulars.

Aquests cossos són gairebé esfèrics, com ho són els forats negres, però presenten unes deformacions de 5 mm de mitjana que són les que provoquen les ones gravitacionals. Una de les seves particularitats és la seva alta velocitat de rotació, que fa que siguin una de les fonts amb la freqüència més alta. Aquests cossos també poden formar sistemes binaris entre ells o amb forats negres. El LIGO també va aconseguir detectar una col·lisió entre estrelles de neutrons.

A través de les ones electromagnètiques només podem observar fins a 300.000 anys després del big-bang. En canvi les ones gravitacionals ens podrien arribar a mostrar l'Univers de quan encara no havia passat ni 10^-32s després del big-bang. Això ens permetria resoldre molts dels dubtes fonamentals que existeixen en la cosmologia actual. El problema és que per poder observar aquesta font es necessita una precisió molt gran.

La majoria de l'Univers es pot considerar fosc, ja que no emet radiacions electromagnètiques. En aquestes grans escales, llavors, la forma més efectiva d'observar l'Univers és a través de la força gravitacional, que és la que domina en aquests escenaris. Les ones gravitacionals ens podrien permetre complir aquesta funció.

Totes aquelles que tenen com a font un sistema constant, i una freqüència bastant ben definida. Aquestes ones són generades per cossos en rotació, o sistemes binaris encara molt distants. Les ones acostumen a tenir períodes llargs i solen ser poc energètiques.

Aquestes són les que es produeixen en la part final d'un sistema binari, en el moment en què els dos cossos es fusionen. La freqüència de l'ona depèn de la de l'òrbita, però aquesta va augmentant progressivament a mesura que s'acosta la col·lisió. Ara per ara, aquestes són l'únic tipus d'ona que ha estat detectat.

Provenen de fonts desconegudes o no anticipades de curta duració, en què, per tant, l'ona gravitacional és més semblant a un únic pols. És l'exemple d'una supernova. En realitat aquest és un dels fenòmens menys coneguts i per tant del que s'espera poder fer descobertes més revolucionàries.

Aquest és el tipus d'ones que formarien, per exemple, un fons estocàstic d'ones originades en l'Univers primordial. Una idea semblant al fons de radiació de microones, però amb ones gravitacionals en lloc d'electromagnètiques. Si aquestes són detectades, poden provocar una revolució en la física fonamental i la cosmologia degut a la gran quantitat d'informació que podrien aportar.

El descobriment^[4] del púlsar binari PSR B1913+16 per Russell Hulse i Joseph Hooton Taylor i l'observació^[5] que el seu període orbital minva precisament com ho prediu la teoria de la relativitat general si es considera que aquest sistema perd la seva energia per emissió gravitatòria, proporcionà la primera demostració (indirecta) de l'existència de les ones gravitacionals. Aquests dos investigadors estatunidencs reberen el Premi Nobel de Física el 1993 per aquest descobriment.

El febrer de 2016, l'equip del LIGO va anunciar que havien detectat ones gravitacionals d'una fusió de forat negre.^[6][7][8]

• Observació d'ones gravitacionals