¿Pueden los GW mover objetos (ejercer presión sobre la materia) como las ondas EM?

Question

Las ondas gravitacionales son reales, se han observado.

Las ondas gravitacionales son perturbaciones en la curvatura del espaciotiempo, generadas por masas aceleradas, que se propagan como ondas hacia el exterior desde su fuente a la velocidad de la luz.

https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave

No hay consenso sobre si estos cuantos de GWs son los hipotéticos gravitones o no.

Pero sí sabemos que las ondas EM pueden ejercer presión sobre los objetos. Así es como funciona la vela solar.

Las velas solares (también llamadas velas de luz o velas de fotones) son un método propuesto de propulsión de naves espaciales que utiliza la presión de la radiación ejercida por la luz solar sobre grandes espejos. Pero la radiación solar ejerce una presión sobre la vela debido a la reflexión y a una pequeña fracción que es absorbida

https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_sail

Sabemos que los fotones ejercen presión sobre la materia con la que interactúan.

Sí. En realidad, los fotones ejercen presión sobre cualquier superficie expuesta a ellos. Por ejemplo, los fotones emitidos por el Sol ejercen una presión de 9,08N/m2 sobre la Tierra.

Sobre los fotones y los espejos

La presión de radiación es la presión ejercida sobre cualquier superficie debido al intercambio de momento entre el objeto y el campo electromagnético. Incluye el momento de la luz o de la radiación electromagnética de cualquier longitud de onda que es absorbida, reflejada o emitida de otro modo (por ejemplo, la radiación del cuerpo negro) por la materia a cualquier escala (desde objetos macroscópicos hasta partículas de polvo o moléculas de gas).

Así que la presión de la radiación puede mover objetos.

La presión de radiación puede explicarse igualmente considerando el momento de un campo electromagnético clásico o en términos de los momentos de los fotones, partículas de luz. La interacción de las ondas electromagnéticas o los fotones con la materia puede implicar un intercambio de momentos. Debido a la ley de conservación del momento, cualquier cambio en el momento total de las ondas o los fotones debe implicar un cambio igual y opuesto en el momento de la materia con la que interactúa (tercera ley del movimiento de Newton), como se ilustra en la figura adjunta para el caso de la luz que se refleja perfectamente en una superficie. Esta transferencia de momento es la explicación general de lo que denominamos presión de radiación.

Así que, básicamente, tanto las ondas EM clásicas como los fotones QM ejercen presión sobre la materia con la que interactúan, y esto se debe a la conservación del momento.

Ahora bien, como los GW también son ondas, y hay similitudes entre ellos y las ondas EM, incluso si tratamos a los GW de forma clásica o en QM como si estuvieran formados por gravitones, los GW deberían ejercer presión sobre la materia con la que interactúan.

Debido a la debilidad del acoplamiento de la gravedad con la materia, las ondas gravitacionales experimentan muy poca absorción o dispersión, incluso cuando viajan a distancias astronómicas. En particular, se espera que las ondas gravitacionales no se vean afectadas por la opacidad del universo primitivo.

Ahora la diferencia entre los EM y los GW es que básicamente los GW se acoplan débilmente a la materia.

Pregunta:

1. ¿Pueden los GW mover objetos (ejercer presión sobre la materia)?

Answer 1

Sí, pueden ejercer una presión similar a la de las ondas EM, pero es un poco más sutil y no he visto que se hable de ello en los libros de texto, así que quizás alguien más experto que yo pueda comentarlo.

Una forma de ver que las ondas EM ejercen una presión es calcular algo llamado tensor de momento de energía . Se trata de una matriz que indica (entre otras cosas) la densidad de energía y de momento del campo electromagnético. Las densidades de momento resultan estar dadas por la Vector Poynting que es como se suele introducir la idea de la presión de radiación en los libros de texto de introducción a la física.

Ahora, en el caso de las ondas gravitacionales, hay problemas conceptuales para definir el tensor de energía y momento. Puedes leer sobre estas dificultades si buscas sobre problemas para definir la energía del campo gravitatorio. Pero en la práctica hay formas estándar de definir el tensor de momento de energía que funcionan suficientemente bien. Así que puedes encontrar la densidad de momento de las ondas gravitacionales igual que para las ondas electromagnéticas.

Otra forma más directa de ver la presión de radiación es imaginar cómo se comporta una partícula de prueba cuando pasa una onda EM transversal. La componente eléctrica hace que la partícula quiera moverse transversalmente a la dirección de la onda, pero luego el efecto secundario debido a la presencia del campo magnético la empuja en la dirección de la presión de radiación.

En gravedad algunas de las mismas aproximaciones que nos permiten definir un tensor de momento de energía nos llevan a una aproximación llamada el gravitomagnetismo, donde se puede definir algo así como un campo magnético para la gravedad. En los libros de texto sólo se habla del movimiento transversal de las partículas de prueba, pero estoy casi seguro de que si se considera el efecto gravitomagnético de orden superior se vería que la partícula de prueba se mueve en la dirección de la presión de la radiación (pero tal vez un experto o alguien que quiera hacer el cálculo pueda verificarlo).