Este pregunta sobre la velocidad de la luz suscitó mi propia pregunta. En la pregunta enlazada se pregunta si hay pruebas experimentales de que la velocidad de la gravedad es igual a la velocidad de la luz. Me sorprendió que no se mencionaran las mediciones de LIGO.
El experimento descubrió la llegada de una distorsión del espaciotiempo procedente de sistemas binarios de agujeros negros o estrellas de neutrones que giran a gran velocidad. Debido a la extensa naturaleza de LIGO (hay un observatorio en Livingston y otro en Hanford) parece que a su llegada la onda gravitacional (si golpea la Tierra en un ángulo agudo) chocará primero con uno de los dos observatorios (cuál de ellos depende obviamente del origen de la onda). Así que debería ser posible medir la velocidad de la gravedad. O, al menos, medir si la velocidad es finita (o no).
¿Se ha hecho esto?
Respuestas
¿Demasiados anuncios?
Sí . En principio, la velocidad de las ondas gravitacionales puede medirse utilizando los datos de LIGO. De hecho, utilizando un enfoque bayesiano, la primera medición de la velocidad de las ondas gravitacionales utilizando el retardo temporal entre los detectores de GW fue sugerida/realizada por Cornish, Blas y Nardini . Aplicando el método bayesiano, descubrieron que la velocidad de las ondas gravitacionales está limitada a un intervalo de confianza del 90% entre $0.55c$ y $1.42c$ utilizando los datos de las fusiones binarias de agujeros negros GW150914, GW151226 y GW170104.
Después de eso, una medición más precisa de la velocidad de las ondas gravitacionales fue mediante la medición del retardo temporal entre las observaciones GW y electromagnéticas de la misma fuente astrofísica, como bien mencionó @Andrew, mediante el uso de una estrella de neutrones binaria inspiral GW170817 . Descubrieron que la velocidad de la señal de las ondas gravitacionales es la misma que la de los rayos gamma, aproximadamente una parte en $10^{15}$ . Tenga en cuenta que este estudio se basa principalmente en la diferencia entre la velocidad de la gravedad y la velocidad de la luz .
Recientemente, un nuevo método se ha introducido utilizando una red de detectores separados geográficamente. Como mencionan los autores, aunque este método es mucho menos preciso, proporciona una medición independiente de la velocidad de las ondas gravitacionales combinando diez eventos binarios de agujeros negros y un evento binario de estrellas de neutrones de la primera y segunda serie de observaciones de Advanced LIGO y Advanced Virgo. Combinando las medidas de LIGO y Virgo, y suponiendo una propagación isótropa, los autores han limitado la velocidad de las ondas gravitacionales a ( $0.97c$ , $1.01c$ ) que está dentro del 3% de la velocidad de la luz en el vacío.
En mi opinión, el mejor estudio es el segundo (que @Andrew mencionó amablemente), en el que se pueden medir múltiples medidas para producir un resultado más preciso, pero el posterior (el tercer estudio) tiene su importancia científica. Esto se debe a que el método posterior es un método independiente para medir directamente la velocidad de la gravedad que se basa únicamente en observaciones de GW y, por tanto, no depende de observaciones de múltiples mensajeros como mencionan los autores.
Además de estos logros, hay otros resultados interesantes que se pueden extraer de los datos de LIGO. Por ejemplo, observaciones de LIGO han establecido un límite inferior para la longitud de onda Compton del gravitón como
$${{\lambda _{{\rm{graviton}}}} > 1.6 \times {{10}^{13}}{\rm{km}}},$$
que es realmente interesante. De hecho, suponiendo que los gravitones se dispersan en el vacío como partículas masivas, es decir. ${\lambda _{graviton}} = \frac{h}{{{m_{graviton}}\,c}}$ se puede encontrar un límite superior para la masa del gravitón como ${{m_{{\rm{graviton}}}} \le 7.7 \times {{10}^{ - 23}}eV/{c^2} \sim {{10}^{ - 38}}g}$ que es extremadamente pequeño, más allá de la tecnología de nuestros detectores.
Sí, la observación multimensajero de GW170817 (una fusión binaria de estrellas de neutrones) permite medir la velocidad de las ondas gravitacionales. Se pueden comparar los tiempos de llegada del estallido de rayos gamma (que viaja desde la fuente hasta la Tierra a la velocidad de la luz), con el tiempo de llegada de las ondas gravitacionales (que, por supuesto, viajan a la velocidad de las ondas gravitacionales).
La prueba se describe detalladamente en este artículo publicado en The Astrophysical Journal Letters:
Abbott et al. (2017), Ondas gravitacionales y rayos gamma de una fusión binaria de estrellas de neutrones: GW170817 y GRB 170817A , https://doi.org/10.3847/2041-8213/aa920c .
En concreto, LIGO, Virgo y el Monitor de Estallidos de Rayos Gamma Fermi descubrieron que
\begin{equation} -3 \times 10^{-15} \leq \frac{\Delta v}{v_{\rm EM}} \leq +7 \times 10^{-16} \end{equation} donde $\Delta v=v_{\rm GW}-v_{\rm EM}$ es la diferencia entre la velocidad de las ondas gravitacionales y la velocidad de la luz, $v_{\rm GW}$ es la velocidad de las ondas gravitacionales, y $v_{\rm EM}$ es la velocidad de la luz.
El retardo entre las detecciones de LIGO no verifica tanto la velocidad de la gravedad para igualar $c$ sino que este hecho se da por supuesto para ayudar a determinar la dirección de origen de la onda. Por ejemplo, si los dos detectores registran un blip al mismo tiempo, entonces la onda debe proceder de alguna dirección perpendicular a la línea que une ambos. La medición del retardo restringe las posibles direcciones de origen, pero sólo si se conoce la velocidad de la gravedad. a priori (que LIGO puede ayudar a determinar por otros medios, como se discute en otra respuesta).
Las diferencias temporales en la detección de un evento de ondas gravitacionales en dos o incluso tres detectores sólo pueden dar un límite superior de la velocidad de las ondas gravitacionales. Esto se debe a que hay una línea de puntos que son equidistantes de los tres detectores. Sería necesario detectar un evento en al menos cuatro lugares para establecer la velocidad de las ondas gravitacionales sólo a partir de las diferencias temporales en la detección de ondas gravitacionales. Hasta ahora, sólo se ha detectado un evento (GW170814) en tres lugares diferentes, y no se ha detectado ningún evento en cuatro lugares.
Sin embargo, esto no es un problema importante porque, como se menciona en otra respuesta, la comparación de los tiempos de llegada de las ondas gravitacionales y las ondas electromagnéticas de GM170817 ya ha proporcionado límites superiores e inferiores muy ajustados de la velocidad de las ondas gravitacionales.
