Ondulaciones en el espacio-tiempo son lo que las ondas gravitacionales son, y viajar a través del espacio a la velocidad de la… luz en todas direcciones. Aunque las constantes del electromagnetismo nunca aparecen en las ecuaciones de la Relatividad General de Einstein, la velocidad de la gravedad es sin duda igual a la velocidad de la luz. He aquí por qué.,
Observatorio gravitacional Europeo, Lionel BRET / EUROLIOS
Si el sol dejara de emitir luz espontáneamente, no lo sabríamos durante unos 8 minutos y 20 segundos. La luz que está llegando aquí a la Tierra, justo en este mismo momento, fue emitida desde la fotosfera del Sol una cantidad finita de tiempo en el pasado, y solo se está viendo ahora después de un viaje a través de los 150 millones de km (93 millones de millas) que separan el sol de la Tierra. Si el sol se oscureciera ahora mismo, no lo averiguaríamos hasta que la luz dejara de llegar.
Pero ¿qué pasa gravitacionalmente?, Si el sol fuera espontáneamente (de alguna manera) removido de la existencia, ¿cuánto tiempo permanecería la Tierra en su órbita elíptica antes de volar en línea recta? Lo creas o no, la respuesta a esto debe ser exactamente la misma cantidad de tiempo que fue para la luz: 8 minutos y 20 segundos. La velocidad de la gravedad no solo es igual a la velocidad de la luz a un grado increíblemente preciso observacionalmente, sino que estas dos constantes deben ser exactamente iguales teóricamente, o la relatividad general se desmoronaría. Aquí está la ciencia detrás de por qué.,
La Ley de Newton de la Gravitación Universal ha sido reemplazada por la Relatividad General de Einstein, pero… se basó en el concepto de una acción instantánea (fuerza) a distancia, y es increíblemente sencillo. La constante gravitacional en esta ecuación, G, junto con los valores de las dos masas y la distancia entre ellas, son los únicos factores en la determinación de una fuerza gravitacional. G también aparece en la teoría de Einstein.,
usuario de Wikimedia commons Dennis Nilsson
antes de que llegara la relatividad General, nuestra teoría de la gravedad más exitosa era la ley universal de la gravitación de Newton. De acuerdo con Newton, la fuerza gravitacional entre dos objetos cualesquiera en el espacio definida por solo cuatro parámetros:
- La constante gravitacional del Universo, G, Que es la misma para todos.
- La masa del primer objeto, m, que experimenta la fuerza gravitacional. (Por el principio de equivalencia de Einstein, esta es la misma m que entra en las leyes del movimiento, como F = ma.,)
- La masa del segundo objeto, M, que atrae el primer objeto.
- La distancia entre ellos, r, que se extiende desde el Centro de masa del primer objeto hasta el Centro de masa del segundo.
tenga en cuenta que estos son los únicos cuatro parámetros que Se Permiten en la gravitación newtoniana. Puedes realizar todo tipo de cálculos a partir de esta ley de fuerza para derivar, por ejemplo, órbitas planetarias elípticas alrededor del Sol. Pero las ecuaciones solo funcionan si la fuerza gravitacional es instantánea.,
las órbitas de Los ocho grandes planetas varían en la excentricidad y la diferencia entre el perihelio… (aproximación más cercana) y afelio (Distancia más lejana) con respecto al Sol. No hay ninguna razón fundamental por la que algunos planetas sean más o menos excéntricos que los demás; es simplemente el resultado de las condiciones iniciales a partir de las cuales se formó el Sistema Solar., Sin embargo, si de alguna manera apagaras los efectos gravitacionales del Sol, Los planetas no volarían instantáneamente, sino que los internos volarían primero, seguidos por los externos, ya que las señales gravitacionales del sol solo se propagan hacia el exterior a la velocidad de la gravedad, que debería ser igual a la velocidad de la luz.
NASA / JPL-Caltech / R. Daño
Esto puede confundirte un poco., Después de todo, si la velocidad de la gravedad es solo igual a la velocidad de la luz, en lugar de una fuerza infinitamente rápida, entonces la Tierra debería ser atraída hacia donde estaba el sol hace 8 minutos y 20 segundos, no hacia donde está el sol ahora, en este instante en particular en el tiempo. Pero si se hace ese cálculo en su lugar, y se permite que la Tierra se sienta atraída por la posición pasada del sol en lugar de su posición actual, se obtiene una predicción de su órbita que es tan completamente errónea que el propio Newton, con observaciones de calidad que se remontan a menos de 100 años (a la época de Tycho Brahe), podría haberlo descartado.,
de hecho, si utilizaras las leyes de Newton para calcular las órbitas de los planetas y exigieras que coincidieran con las observaciones modernas, no solo la velocidad de la gravedad tendría que ser más rápida que la velocidad de la luz, sino que tendría que ser un mínimo de 20 mil millones de veces más rápida: indistinguible de una velocidad infinita.
Un modelo preciso de cómo los planetas en órbita alrededor del Sol, que luego se mueve a través de la galaxia en una… diferente dirección de movimiento., Si el sol simplemente guiñara el ojo, la teoría de Newton predice que todos volarían instantáneamente en líneas rectas, mientras que la de Einstein predice que los planetas interiores continuarían orbitando por períodos de tiempo más cortos que los planetas exteriores.
Rhys Taylor
El problema es este: si tienes una fuerza central, donde una partícula enlazada como (por ejemplo) la Tierra es atraída por el sol pero se mueve alrededor del Sol (orbitando, o propagándose) a una velocidad finita, solo obtendrás una órbita puramente elíptica si la velocidad de propagación de esa fuerza es infinita., Si es finito, entonces no solo obtienes una aceleración radial (hacia la otra masa), sino que también obtienes un componente que acelera tu partícula tangencialmente.
esto haría que las órbitas no solo fueran elípticas, sino inestables. En la escala de un siglo, las órbitas cambiarían sustancialmente. En 1805, Laplace había utilizado observaciones de la Luna para demostrar que la velocidad de la gravedad newtoniana debe ser 7 millones de veces mayor que la velocidad de la luz. Las restricciones modernas son ahora 20 mil millones de veces La velocidad de la luz, lo cual es genial para Newton. Pero todo esto puso una gran carga sobre Einstein.,
Un aspecto revolucionario del movimiento relativista, propuesto por Einstein, sino que ha sido construido previamente por… Lorentz, Fitzgerald, y otros, que los objetos que se mueven rápidamente parecían contraerse en el espacio y dilatarse en el tiempo. Cuanto más rápido te muevas en relación con alguien en reposo, más largos parecerán ser contraídos, mientras más tiempo parece dilatarse para el mundo exterior., Esta imagen, de la mecánica relativista, reemplazó la vieja visión newtoniana de la mecánica clásica, pero también conlleva enormes implicaciones para teorías que no son invariantes relativistas, como la gravedad newtoniana.
Curt Renshaw
según Einstein, existe un gran problema, conceptualmente, con la Ley de la fuerza gravitacional de Newton: la distancia entre dos objetos cualesquiera no es una cantidad absoluta, sino que depende del movimiento del observador., Si te estás moviendo hacia o lejos de cualquier línea imaginaria que dibujes, las distancias en esa dirección se contraerán, dependiendo de tus velocidades relativas. Para que la fuerza gravitacional sea una cantidad calculable, todos los observadores tendrían que obtener resultados consistentes, algo que no se puede obtener combinando la relatividad con la Ley de la fuerza gravitacional de Newton.
por lo tanto, según Einstein, tendrías que desarrollar una teoría que uniera la gravitación y los movimientos relativistas, y eso significaba desarrollar la relatividad General: una teoría relativista del movimiento que incorporara la gravedad en ella., Una vez completada, la relatividad general contó una historia dramáticamente diferente.
Una mirada animada de cómo responde el espacio-tiempo a medida que una masa se mueve a través de él ayuda a mostrar exactamente cómo,… cualitativamente, no es simplemente una lámina de tela, sino que todo el espacio en sí se curva por la presencia y las propiedades de la materia y la energía dentro del Universo. Tenga en cuenta que el espacio-tiempo solo se puede describir si incluimos no solo la posición del objeto masivo, sino dónde se encuentra esa masa a lo largo del tiempo., Tanto la ubicación instantánea como la historia pasada de dónde se encontraba ese objeto determinan las fuerzas experimentadas por los objetos que se mueven a través del Universo.
LucasVB
para conseguir que diferentes observadores se pongan de acuerdo sobre cómo funciona la gravitación, no puede haber tal cosa como espacio absoluto, tiempo absoluto o una señal que se propaga a velocidad infinita., En cambio, el espacio y el tiempo deben ser relativos para diferentes observadores, y las señales solo pueden propagarse a velocidades que sean exactamente iguales a la velocidad de la luz (si la partícula que se propaga no tiene masa) o a velocidades que estén por debajo de la velocidad de la luz (si la partícula tiene masa).
para que esto funcione, sin embargo, tiene que haber un efecto adicional para cancelar el problema de una aceleración tangencial no nula, que es inducida por una velocidad finita de la gravedad., Este fenómeno, conocido como aberración gravitacional, está casi exactamente cancelado por el hecho de que la relatividad General también tiene interacciones dependientes de la velocidad. A medida que la Tierra se mueve a través del espacio, por ejemplo, siente que la fuerza del Sol cambia a medida que cambia su posición, de la misma manera que un barco que viaja a través del Océano descenderá en una posición diferente a medida que se eleva y baja de nuevo por una ola que pasa.
la radiación Gravitatoria obtiene emite siempre una masa órbitas otro, lo que significa que más de largo… suficientes escalas de tiempo, las órbitas decaerán., Antes de que el primer agujero negro se evapore, la Tierra girará en espiral hacia lo que quede del Sol, suponiendo que nada más lo haya expulsado previamente. La tierra se siente atraída hacia donde estaba el sol hace aproximadamente 8 minutos, no hacia donde está hoy.
American Physical Society
lo que es notable, y de ninguna manera obvio, es que estos dos efectos se cancelan casi exactamente., El hecho de que la velocidad de la gravedad sea finita es lo que induce esta aberración gravitacional, pero el hecho de que la relatividad General (a diferencia de la gravedad newtoniana) tenga interacciones dependientes de la velocidad es lo que permitió que la gravedad newtoniana fuera una buena aproximación. Solo hay una velocidad que funciona para que esta cancelación sea buena: si la velocidad de la gravedad es igual a la velocidad de la luz.
así que esa es la motivación teórica de por qué la velocidad de la gravedad debe ser igual a la velocidad de la luz., Si quieres que las órbitas planetarias sean consistentes con lo que hemos visto, y que sean consistentes para todos los observadores, necesitas una velocidad de gravedad que sea igual a c, y que tu teoría sea relativísticamente invariante. Sin embargo, hay otra advertencia. En la relatividad General, la cancelación entre la aberración gravitacional y el término dependiente de la velocidad es casi exacta, pero no del todo. Solo el sistema correcto puede revelar la diferencia entre las predicciones de Einstein y Newton.,
Cuando una masa se mueve a través de una región del espacio curvo, que experimentará una aceleración debido a la… espacio curvo que habita. También experimenta un efecto adicional debido a su velocidad a medida que se mueve a través de una región donde la curvatura espacial está cambiando constantemente. Estos dos efectos, cuando se combinan, dan como resultado una ligera y pequeña diferencia con las predicciones de la gravedad de Newton.,
David Champion, Max Planck Institute for Radio Astronomy
en nuestro propio vecindario, la fuerza de la gravedad del sol es demasiado débil para producir un efecto medible. Lo que querrías es un sistema que tuviera grandes campos gravitacionales a pequeñas distancias de una fuente masiva, donde la velocidad del objeto en movimiento sea rápida y cambie (acelere) rápidamente, en un campo gravitacional con un gran gradiente.
nuestro Sol no nos da eso, ¡pero el entorno alrededor de un agujero negro binario o una estrella de neutrones binaria sí!, Idealmente, un sistema con un objeto masivo moviéndose con una velocidad cambiante a través de un campo gravitacional cambiante mostrará este efecto. Y un sistema binario de estrellas de neutrones, donde una de las estrellas de neutrones es un púlsar muy preciso, encaja perfectamente.
Cuando usted tiene un solo objeto, como un púlsar, que orbitan en el espacio, va a pulso cada vez que… completa una rotación de 360 grados para un observador alineado fortuitamente., Si colocas ese púlsar en un sistema binario con otro objeto denso y masivo, se moverá rápidamente a través de ese espacio, exhibiendo tanto los efectos de la aberración gravitacional como las interacciones dependientes de la velocidad, y su cancelación inexacta permite a los científicos discernir las predicciones relativistas para este sistema de las newtonianas.
ESO/L. Calçada
Un púlsar, y, en particular, un púlsar de milisegundos, es el mejor reloj natural en el Universo., A medida que la estrella de neutrones gira, emite un chorro de radiación electromagnética que tiene la posibilidad de alinearse con la perspectiva de la Tierra una vez cada rotación de 360 grados. Si la alineación es correcta, observaremos que estos pulsos llegan con una precisión y precisión extraordinariamente predecibles.
sin embargo, si el púlsar está en un sistema binario, entonces moviéndose a través de ese campo gravitacional cambiante causará la emisión de ondas gravitacionales, que transportan energía fuera del sistema gravitatorio. La pérdida de esa energía tiene que venir de alguna parte, y es compensada por la decadencia de las órbitas del púlsar., Las predicciones de decaimiento de púlsar son altamente sensibles a la velocidad de la gravedad; usando incluso el primer sistema binario de púlsar jamás descubierto por sí mismo, PSR 1913+16 (o el binario Hulse-Taylor), nos permitió restringir la velocidad de la gravedad a ser igual a la velocidad de la luz a solo 0.2%!
La tasa de deterioro orbital de un púlsar binario es altamente dependiente de la velocidad de la gravedad y de la… parámetros orbitales del sistema binario. Hemos utilizado datos de púlsar binarios para restringir la velocidad de la gravedad a ser igual a la velocidad de la luz a una precisión de 99.,8%, y para inferir la existencia de ondas gravitacionales décadas antes de que LIGO y Virgo las detectaran. Sin embargo, la detección directa de ondas gravitacionales era una parte vital del proceso científico, y la existencia de ondas gravitacionales todavía estaría en duda sin ella.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer (R)
desde entonces, otras mediciones también han demostrado la equivalencia entre la velocidad de la luz y la velocidad de la gravedad., En 2002, una coincidencia fortuita causó que la Tierra, Júpiter y un cuásar de radio muy fuerte (conocido como QSO J0842+1835) se alinearan. A medida que Júpiter pasaba entre la Tierra y el cuásar, sus efectos gravitacionales hicieron que la luz de las estrellas se doblara de una manera que dependía de la velocidad de la gravedad.,
Júpiter, de hecho, dobló la luz del Cuásar, lo que nos permitió descartar una velocidad infinita para la velocidad de la gravedad y determinar que en realidad estaba entre 255 millones y 381 millones de metros por segundo, consistente con el valor exacto para la velocidad de la luz (299,792,458 m/s) y también con las predicciones de Einstein. Aún más recientemente, las primeras observaciones de ondas gravitacionales nos trajeron restricciones aún más estrictas.
ilustración de una ráfaga rápida de rayos gamma, que durante mucho tiempo se pensó que ocurría a partir de la fusión de estrellas de neutrones. El…, el ambiente rico en gas que los rodea podría retrasar la llegada de la señal, lo que explica la diferencia observada de 1,7 segundos entre las llegadas de las firmas gravitacionales y electromagnéticas. Esta es la mejor evidencia que tenemos, observacionalmente, de que la velocidad de la gravedad debe ser igual a la velocidad de la luz.,
eso
desde la primera onda gravitacional detectada y la diferencia en sus tiempos de llegada a Hanford, WA y Livingston, Los Ángeles, aprendimos directamente que la velocidad de la gravedad igualaba la velocidad de la luz a alrededor del 70%, lo que no es una mejora sobre las restricciones de tiempo del pulsar. Pero cuando 2017 vio la llegada de las ondas gravitacionales y la luz de una fusión estrella de neutrones-estrella de neutrones, el hecho de que las señales de Rayos gamma llegaron solo 1.,7 segundos después de la señal de onda gravitacional, a través de un viaje de más de 100 millones de años luz, nos enseñó que la velocidad de la luz y la velocidad de la gravedad difieren en no más de 1 parte en un cuatrillón: 1015.
mientras las ondas gravitacionales y los fotones no tengan masa en reposo, las leyes de la física dictan que deben moverse exactamente a la misma velocidad: la velocidad de la luz, que debe ser igual a la velocidad de la gravedad., Incluso antes de que las restricciones consiguieran este espectacular, requerir que una teoría gravitacional reproduzca órbitas newtonianas mientras que simultáneamente sea relativísticamente invariante conduce a esta conclusión inevitable. La velocidad de la gravedad es exactamente la velocidad de la luz, y la física no habría permitido que fuera de otra manera.