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Ondas gravitacionales:la nueva ventana al Universo
Bert Janssen
Dpto. de Fısica Teorica y del Cosmos & CAFPEUniversidad de Granada
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 1/42
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Plan de la Conferencia
1. Gravedad y Relatividad General
2. Ondas gravitacionales
3. Un poco de historia
4. La deteccion directa de LIGO
5. ¿Y ahora que...?
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 2/42
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Interrumpidme cuando querais
Las preguntas tontas no existen.Solo existen las respuestas tontas.
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 3/42
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1. Gravedad y Relatividad GeneralGravedad es la fuerza mas familiar y la menos entendida
Domina el universo a todas las escalas: 10−2 m . L . 1026 m
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Estudiada por Galilei y postulada por Newton
Caıda libre:
x(t) = x0 + v0 t −12g t2
v(t) = −g t
−→ Fuerza universal entre cualesquiera dos masas
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Una teorıa muy exitosa! Predice las efemerides planetarias
Hasta predijo la existencia de Neptuno por perturbaciones en orbita de Urano
Couch-Adams & Le Verrier, 1845
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Pero ¿Como se propaga la gravedad? ¿A que velocidad?
puff ???
Newton (1729): “Hipotheses non fingo”
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 7/42
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Pero ¿Como se propaga la gravedad? ¿A que velocidad?
puff ???
Newton (1729): “Hipotheses non fingo”
Einstein (1905):
C
300 000 km/s
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 7/42
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Pero ¿Como se propaga la gravedad? ¿A que velocidad?
puff ???
Newton (1729): “Hipotheses non fingo”
Einstein (1905):
C
300 000 km/s
−→ Clara contradiccion!!!B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 7/42
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La gravedad newtoniana es incompatible con la Relatividad Especial
Accion a distancia
Velocidad de propagacion infinita
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 8/42
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La gravedad newtoniana es incompatible con la Relatividad Especial
Accion a distancia
Velocidad de propagacion infinita
−→ Nueva teorıa de la gravedad: Relatividad General
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 8/42
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Gravedad = espacio curvo
Rµν −1
2gµν R = −
8πGNc4
Tµν
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La materia sigue la trayectoria mas recta posible
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 10/42
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La materia sigue la trayectoria mas recta posible
No hay fuerza gravitatoria a la Newton, sino trayectorias en espacio curvo.
NO SI
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 10/42
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No solo la materia, sino tambien la luz
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Relatividad General ha pasado numerosos tests con exito
Precesion del perihelio de Mercurio:
predic: 574,64± 0,69 arcsec/siglo (42 arcsec/siglo debido a Rel. Gen.)
observ: 574,10± 0,65 arcsec/siglo
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 12/42
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Relatividad General ha pasado numerosos tests con exito
Precesion del perihelio de Mercurio:
predic: 574,64± 0,69 arcsec/siglo (42 arcsec/siglo debido a Rel. Gen.)
observ: 574,10± 0,65 arcsec/siglo
Desviacion de la luz: 0,03% para Sol (1998)
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 12/42
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Relatividad General ha pasado numerosos tests con exito
Efecto Shapiro: 0,002% (Cassini en Saturno, 2003)
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 13/42
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Relatividad General ha pasado numerosos tests con exito
Efecto Shapiro: 0,002% (Cassini en Saturno, 2003)
Dilatacion temporal gravitatoria: 7 · 10−5 % (Gravity Probe A, 1976)
Efecto geodetico: 0,5% (Gravity Probe B, 2005)
Predicciones cosmologicas:
fondo cosmico de microondas a 2, 7K
abundancias de elementos primordiales: 75% H y 25% He
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Relatividad General ha pasado numerosos tests con exito
Efecto Shapiro: 0,002% (Cassini en Saturno, 2003)
Dilatacion temporal gravitatoria: 7 · 10−5 % (Gravity Probe A, 1976)
Efecto geodetico: 0,5% (Gravity Probe B, 2005)
Predicciones cosmologicas:
fondo cosmico de microondas a 2, 7K
abundancias de elementos primordiales: 75% H y 25% He
Ondas gravitacionales? Predichas por Einstein en 1916
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 13/42
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2. Ondas gravitacionalesEl espaciotiempo no es un escenario estatico
Es una parte dinamica de la fısica
NO mas como...
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2. Ondas gravitacionalesEl espaciotiempo no es un escenario estatico
Es una parte dinamica de la fısica
NO mas como...
Interacciona con el contenido de energıa y
materia
Tiene dinamica propia: puede cambiar de
forma y tamano
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 14/42
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Ondas gravitacionales =
perturbaciones en el espaciotiempo que se
propagan solos
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Ondas gravitacionales =
perturbaciones en el espaciotiempo que se
propagan solos
¡OJO! No son ondas de algo propagando por el espaciotiempo
Son oscilaciones del espaciotiempo mismo...
NO SI
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 15/42
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Predicciones de Relatividad General:
Ondas transversales
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Predicciones de Relatividad General:
Ondas transversales
Se propagan a la velocidad de la luz
1
c2∂2t hµν − ∂2
x hµν − ∂2y hµν − ∂2
z hµν = 0
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 16/42
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Predicciones de Relatividad General:
Ondas transversales
Se propagan a la velocidad de la luz
1
c2∂2t hµν − ∂2
x hµν − ∂2y hµν − ∂2
z hµν = 0
−→ Solucion al problema de Newton
puff
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Efecto al pasar:
−→ diferencia con ondas electromagneticas (grav: espın 2)
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 17/42
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Efecto al pasar:
−→ diferencia con ondas electromagneticas (grav: espın 2)
Generadas por cambio en momento cuadrupolar de la materia
Ejemplo mas comun: sistema binario
Mas debiles que ondas electromagneticas
−→ mas difıciles de detectar...
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 17/42
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Ondas gravitacionales se llevan energıa de sistema binario
−→ masas se acercan
−→ masas giran mas rapido
−→ masas emiten mas radiacion
−→ masas se acercan mas aun
−→ ...
−→ sistema colapsa
−→ senal muy tıpica
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3. Un poco de historia1915: Einstein publica su Relatividad General
1916 - 1918: Einstein predice la existencia de ondas gravitacionales
−→ difıcilmente detectables
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 19/42
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3. Un poco de historia1915: Einstein publica su Relatividad General
1916 - 1918: Einstein predice la existencia de ondas gravitacionales
−→ difıcilmente detectables
1925: Brinkmann publica solucion exacta de una onda gravitacional
1936: Einstein y Rosen argumentan que ondas gravitacionales no existen
(como solucion exacta)
• Confunden singularidades de coordenadas con singularidades fısicas
• Problemas al definir la energıa transportada por ondas gravitacionales
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 19/42
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3. Un poco de historia1915: Einstein publica su Relatividad General
1916 - 1918: Einstein predice la existencia de ondas gravitacionales
−→ difıcilmente detectables
1925: Brinkmann publica solucion exacta de una onda gravitacional
1936: Einstein y Rosen argumentan que ondas gravitacionales no existen
(como solucion exacta)
• Confunden singularidades de coordenadas con singularidades fısicas
• Problemas al definir la energıa transportada por ondas gravitacionales
1957: Feynman inventa el argumento del abalorio con friccion:
−→ Ondas gravitacionales transportan energıa
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 19/42
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1974: Taylor y Hulse descubren pulsar binario PSR B1913+16
−→ Prueba indirecta de la existencia de ondas gravitacionales
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 20/42
![Page 35: la nueva ventana al Universo - UGRbjanssen/text/gravwave-divulg.pdfInterrumpidme cuando querais´ Las preguntas tontas no existen. Solo existen las respuestas tontas.´ B. Janssen](https://reader034.vdocumento.com/reader034/viewer/2022042211/5eb0f59b3427405fd1237183/html5/thumbnails/35.jpg)
1974: Taylor y Hulse descubren pulsar binario PSR B1913+16
−→ Prueba indirecta de la existencia de ondas gravitacionales
M1 ≈ M2 ≈ 1, 4M⊙
1, 1R⊙ < L < 4, 8R⊙ ∆L = 3, 5m/y
T = 7, 75h ∆T = −76, 5 µs/y
Prad = 7, 35 · 1024 W = 1, 9%P⊙
∆Lobs/∆Ltheor = 0, 997± 0, 002
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 20/42
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1984: Thorne, Drever y Weiss fundan LIGO
2002 - 2010: Primera ronda de mediciones de LIGO: sin resultados
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 21/42
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1984: Thorne, Drever y Weiss fundan LIGO
2002 - 2010: Primera ronda de mediciones de LIGO: sin resultados
14 sept 2015: Deteccion directa en Advanced LIGO: GW150914
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 21/42
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1984: Thorne, Drever y Weiss fundan LIGO
2002 - 2010: Primera ronda de mediciones de LIGO: sin resultados
14 sept 2015: Deteccion directa en Advanced LIGO: GW150914
2015 - 2019: LVT151012, GW151226, GW170104, GW170814, GW170817
Colaboracion de Virgo, Premio Nobel 2017, ...
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 21/42
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4. La deteccion directa de LIGOLaser Interferometer Gravitational-Wave Observatory
Hanford (WA) Livingston (LA)
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 22/42
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4. La deteccion directa de LIGOLaser Interferometer Gravitational-Wave Observatory
Hanford (WA) Livingston (LA)
2 interferometros (a la Michelson)
con brazos de 4 km a 90o a 3200 km
distancia
Initial LIGO: 2002 - 2010
Advanced LIGO: 18 sept 2015
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 22/42
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Laser recorre brazos ∼ 75 veces
Onda gravitacional cambia longitud de brazos
⇒ cambia numero de longitud de ondas en brazo
⇒ cambia la intensidad de la senal medida
Sensibilidad: ∆L/L = 10−21
∆L ∼ 10−18m
NB: radio de carga del proton Rp = 0, 8 · 10−15m
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Filtrando la senal...
Tubos de 4 km × 1,2 m de ultravacio (P < 1µPa)
Supresion de 10 ordenes de magnitud de movimiento terrestres de > 10 Hz
Monitorizacion de influencias ambientales a traves de seismografos,
acelerometros, microfonos, magnetometros, sensores meteorologicos, ...
Estimar el fondo de ruido es un problema complicado!
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El 14 de septiembre 2015 a las 9:50 UTC: GW150914
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Probabilidad de falsa alarma < 2 · 10−7 ⇔ 5, 1σ
Senal tıpica de colision de dos objetos masivos:
6,9 ms de retraso entre las dos senales
Aumento de frecuencia y amplitiud de 35 Hz a 150 Hz en 0,2 s
Oscilaciones amortiguadas despues de maximo
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Datos indican (90 % confidence level):
Dos objetos de M1 = 36+5−4M⊙ y M1 = 29+4
−4M⊙
f = 75 Hz =⇒ separacion de ∼ 350 km
Fusion de dos agujeros negros!
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Datos indican (90 % confidence level):
Dos objetos de M1 = 36+5−4M⊙ y M1 = 29+4
−4M⊙
f = 75 Hz =⇒ separacion de ∼ 350 km
Fusion de dos agujeros negros!
Agujero negro resultante con mf = 62+4−4M⊙ y a = 0, 67+0,05
−0,07
Energıa emitida en forma de ondas gravitacionales: Erad ≈ 3−0,5−0,5M⊙c
2
(comparacion: ENagasaki/c2 ≈ 1 g; M⊙ ≈ 2 · 1030 kg)
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 27/42
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Datos indican (90 % confidence level):
Dos objetos de M1 = 36+5−4M⊙ y M1 = 29+4
−4M⊙
f = 75 Hz =⇒ separacion de ∼ 350 km
Fusion de dos agujeros negros!
Agujero negro resultante con mf = 62+4−4M⊙ y a = 0, 67+0,05
−0,07
Energıa emitida en forma de ondas gravitacionales: Erad ≈ 3−0,5−0,5M⊙c
2
(comparacion: ENagasaki/c2 ≈ 1 g; M⊙ ≈ 2 · 1030 kg)
Potencia emitida en maximo: ∼ 200M⊙c2/s ∼ 50×
∑
⋆ P⋆
A distancia de 1, 3 · 109 anos-luz (z ≈ 0, 09)
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 27/42
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Segundo evento: 26 de diciembre 2015 a las 3:38 UTC: GW151226
Fusion de agujeros negros con M1 = 14, 2+8,3−3,7M⊙ y M2 = 7, 5+2,3
−2,3M⊙
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 28/42
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Segundo evento: 26 de diciembre 2015 a las 3:38 UTC: GW151226
Fusion de agujeros negros con M1 = 14, 2+8,3−3,7M⊙ y M2 = 7, 5+2,3
−2,3M⊙
Hasta ahora: 10 eventos detectados!
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 28/42
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Cuatro evento: 14 de agosto 2018 a las 10:30:43 UTC: GW170814
−→ Incorporacion de VIRGO (Pisa)
Fusion de agujeros negros con M1 = 30, 5+5,7−3,0M⊙ y M2 = 25, 3+2,8
−4,2M⊙
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 29/42
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Detectado en 3 detectores: mucho mas informacion obtenible!
Triangulacion de posicion:
Localizado en area de 60 grados2
−→ 20 veces mas precision
−→ buscar otras senales?
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Detectado en 3 detectores: mucho mas informacion obtenible!
Triangulacion de posicion:
Localizado en area de 60 grados2
−→ 20 veces mas precision
−→ buscar otras senales?
Polarizacion de ondas gravitacionales:
Relat. Gen. predice (a) y (b)
Relat. Gen. prohibe (c), (d), (e), (f)
−→ Analisis de GW170814 favorece (a) y (b)!
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 30/42
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Quinto evento: 17 de agosto 2017: GW170817
Correlaciones con senales opticas GW170817 = GRB 170817A = AT 2017gfo
Detectado en rayos gamma, rayos X, luz visible, infrarrojo, radioondas, ...
−→ no es fusion de agujeros negros
−→ ¿Que ha sido?
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Kilonova: Fusion de dos estrellas de neutrones
M1 = 1, 36− 2, 26M⊙ y M2 = 0, 86− 1, 36M⊙
−→ formacion de 16000M⊕ en metales pesados (> Fe)
formacion de 10M⊕ en oro y platino
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 32/42
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Origen fısico de los elementos:
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 33/42
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Observaciones hasta ahora: 9 fusiones de agujeros negros + 1 kilonova
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 34/42
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5. ¿Y ahora que...?Hemos aprendido mucho:
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 35/42
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5. ¿Y ahora que...?Hemos aprendido mucho:
Las ondas gravitacionales existen y podemos detectarlas
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 35/42
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5. ¿Y ahora que...?Hemos aprendido mucho:
Las ondas gravitacionales existen y podemos detectarlas
Los agujeros negros de M & 30M⊙ existen
Los sistemas binarios de agujeros negros existen
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 35/42
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5. ¿Y ahora que...?Hemos aprendido mucho:
Las ondas gravitacionales existen y podemos detectarlas
Los agujeros negros de M & 30M⊙ existen
Los sistemas binarios de agujeros negros existen
Los GRB vienen de fusiones de estrellas de neutrones
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 35/42
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5. ¿Y ahora que...?Hemos aprendido mucho:
Las ondas gravitacionales existen y podemos detectarlas
Los agujeros negros de M & 30M⊙ existen
Los sistemas binarios de agujeros negros existen
Los GRB vienen de fusiones de estrellas de neutrones
Relatividad General ha pasado numerosos tests:
• Test en regimen de campo extra-fuerte
• Cuadrar calculos numericos con calculos analıticos y observaciones
• Polarizaciones favorecen gravedad einsteiniana
• Lımites experimentales sobre diferencia entre vGW y vEM
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 35/42
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Planes de futuro:
Aumentar sensibilidad en consecutivas rondas observacionales
−→ Nueva ronda empieza en 1 abril 2019,
con 40 % (LIGO) y 100 % (Virgo) mas sensibilidad
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 36/42
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Otros detectores terrestres:
VIRGO: incorporado en verano 2017 en red de detectores gravitacionales
KAGRA: operacional en 2018?
LIGO India: acuerdo de principios
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![Page 64: la nueva ventana al Universo - UGRbjanssen/text/gravwave-divulg.pdfInterrumpidme cuando querais´ Las preguntas tontas no existen. Solo existen las respuestas tontas.´ B. Janssen](https://reader034.vdocumento.com/reader034/viewer/2022042211/5eb0f59b3427405fd1237183/html5/thumbnails/64.jpg)
Detectores espaciales: Evolved Laser Interferometer Space Antenna
−→ 3 satelites a 1 000 000 000 km cerca de la Tierra
−→ Planeado para 2030; LISA Pathfinder (version de prueba) lanzado en dic 2015.
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 38/42
![Page 65: la nueva ventana al Universo - UGRbjanssen/text/gravwave-divulg.pdfInterrumpidme cuando querais´ Las preguntas tontas no existen. Solo existen las respuestas tontas.´ B. Janssen](https://reader034.vdocumento.com/reader034/viewer/2022042211/5eb0f59b3427405fd1237183/html5/thumbnails/65.jpg)
Pulsar Timing Arrays: correlaciones en efecto Doppler de distintas pulsares?
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Nueva tecnologıa implica un nuevo mundo por descubrir...
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 41/42
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Nueva tecnologıa implica un nuevo mundo por descubrir...
¡Queda mucho trabajo por hacer!
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¡Gracias!
http://www.ugr.es/local/bjanssen
Google: Bert Janssen UGR
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 42/42
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Candidato: 12 de octubre 2015 a las 9h54 UTC: LVT151012
Data estadısticamente no suficientemente significante (∼ 2σ)...
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−→ Advanced LIGO 3 a 5 veces mas sensible que initial LIGO para 100 - 300 Hz
−→ Advanced LIGO mas de 10 veces mas sensible que initial LIGO para < 60 Hz
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Intermedio tecnico:Ondas gravitacionales en relatividad linealizada
Perturbacion de la metrica: gµν = ηµν + εhµν
Tensor de Ricci: Rµν = ε[
12∂ρ∂
ρhµν + 12∂µ∂νh −
12∂ρ∂µhν
ρ −12∂ρ∂νhµ
ρ]
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Intermedio tecnico:Ondas gravitacionales en relatividad linealizada
Perturbacion de la metrica: gµν = ηµν + εhµν
Tensor de Ricci: Rµν = ε[
12∂ρ∂
ρhµν + 12∂µ∂νh −
12∂ρ∂µhν
ρ −12∂ρ∂νhµ
ρ]
Cambio general de coordenadas: h′µν = hµν + ∂µξν + ∂νξµ
Eleccion de gauge: ∂µhµν −
12∂νh
∗= 0
Tensor de Ricci: Rµν∗= 1
2ε ∂ρ∂
ρhµν
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 47/42
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Intermedio tecnico:Ondas gravitacionales en relatividad linealizada
Perturbacion de la metrica: gµν = ηµν + εhµν
Tensor de Ricci: Rµν = ε[
12∂ρ∂
ρhµν + 12∂µ∂νh −
12∂ρ∂µhν
ρ −12∂ρ∂νhµ
ρ]
Cambio general de coordenadas: h′µν = hµν + ∂µξν + ∂νξµ
Eleccion de gauge: ∂µhµν −
12∂νh
∗= 0
Tensor de Ricci: Rµν∗= 1
2ε ∂ρ∂
ρhµν
Ecn de Einstein del vacıo: 1c2∂2t hµν − ∂2
x hµν − ∂2y hµν − ∂2
z hµν∗= 0
−→ Ecuacion de onda
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 47/42
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Intermedio tecnico:Ondas gravitacionales en relatividad linealizada
Perturbacion de la metrica: gµν = ηµν + εhµν
Tensor de Ricci: Rµν = ε[
12∂ρ∂
ρhµν + 12∂µ∂νh −
12∂ρ∂µhν
ρ −12∂ρ∂νhµ
ρ]
Cambio general de coordenadas: h′µν = hµν + ∂µξν + ∂νξµ
Eleccion de gauge: ∂µhµν −
12∂νh
∗= 0
Tensor de Ricci: Rµν∗= 1
2ε ∂ρ∂
ρhµν
Ecn de Einstein del vacıo: 1c2∂2t hµν − ∂2
x hµν − ∂2y hµν − ∂2
z hµν∗= 0
−→ Ecuacion de onda
(Fin del intermedio)
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 47/42
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Efecto al pasar:
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 48/42
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Efecto al pasar:
Onda con 2 polarizaciones de espın 2
Cµν =
0 0 0 0
0 C+ C× 0
0 C× −C+ 0
0 0 0 0
CR = 1√2(C+ + iC×)
CL = 1√2(C+ − iC×)
Electromagn: Aµ = Aµeikλx
λ
A′µ = Λν
µAν A′R/L = e±iθAR
Gravitacion: hµν = Cµνeikλx
λ
C′µν = Λρ
µΛλν Cρλ C′
R/L = e±2iθCR
B. Janssen (UGR) Space Cafe, 27 marzo 2019 48/42