¿Cuál es la incertidumbre de una masa solar irradiada como energía pura? (Ondas gravitacionales)

Question

editar: Gracias al comentario de abajo - me enteré de que el PLR está disponible para leer http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.116.241103 . En ella, la ref. 5 enlaza con este preimpreso de fecha 15 de junio de 2016: Fusiones de agujeros negros binarios en la primera serie de observaciones avanzadas de LIGO https://dcc.ligo.org/public/0124/P1600088/015/bbh-o1.pdf .

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Este artículo de la BBC del 15 de junio de 2016 Se detectan más ondas gravitacionales estados:

Informando del suceso en la revista Physical Review Letters La colaboración internacional que opera LIGO dice que los dos objetos implicados tenían masas que eran 14 y ocho veces la de nuestro Sol.

Los datos indican que la unión produjo un único agujero negro de 21 masas solares, lo que significa que irradió al espacio una energía pura equivalente a la masa de una estrella del tamaño del Sol.

Es esta energía, en forma de ondas gravitacionales, la que se detectó en los interferómetros láser de los laboratorios LIGO...

Las reacciones y desintegraciones nucleares pueden dar lugar a cambios de masa del orden de una parte por mil o menos, y la aniquilación partícula-antipartícula de materia/antimateria puede cambiar todo de la masa a la luz. Pero en este caso, realmente - el 5% de la masa se convirtió (se cree) en energía en forma de ondas gravitacionales ? Me refiero a que los agujeros negros pueden potencialmente evaporarse si consiguen dejar de "comer" el tiempo suficiente, pero estas ondas parecen simplemente extenderse en algo que deja de tener un efecto significativo sobre cualquier cosa.

mi pregunta: ¿Así que el 5% de la masa de un par de agujeros negros se convierte (se cree que) realmente en energía en forma de vibración del espacio? Si es así, ¿cuál es la incertidumbre experimental sobre la masa, dónde se indica y se discute el cálculo de este valor?

Answer 1

Debería echar un vistazo a este documento del equipo de LIGO, que describe con cierto detalle el proceso de ajuste que se utiliza para estimar los parámetros del sistema a partir de los datos observados. También ofrece un breve argumento de plausibilidad sobre por qué un par de agujeros negros en fusión son esperado para renunciar a $\sim 5$ % de su masa en reposo como ondas gravitacionales.

Los parámetros se estiman por comparación con un conjunto de modelos numéricos basados en códigos de RG utilizando un marco bayesiano. Los diferentes parámetros están restringidos con diferentes grados de precisión. Cabe destacar que muchos de los parámetros son correlacionado .

Lo que esto significa es que aunque las masas individuales son citado como $14.2^{+8.3}_{-3.7} M_{\odot}$ y $7.5^{+2.3}_{-2.3} M_{\odot}$ y la masa final después de la fusión es $20.8^{+6.1}_{-1.7} M_{\odot}$ , eso no significa que la masa inicial (y la incertidumbre) puedan estimarse simplemente sumando los dos primeros números y combinando sus errores en cuadratura, o que la discrepancia de masa (radiada en ondas gravitacionales) pueda obtenerse restando el tercer número de la suma de los dos primeros. Estas estimaciones de los parámetros son no son independientes entre sí . Los agujeros negros iniciales más masivos conducirán a un agujero negro final más masivo y viceversa.

Cada forma de onda calculada numéricamente que se ajusta a los datos es un modelo autoconsistente de un agujero negro binario en fusión. Si se especifican las masas y los espines de los agujeros negros iniciales, esto conduce a una masa final definida de los agujeros negros después de la fusión. Por tanto, cada uno de estos modelos de forma de onda predice un "déficit de masa" entre los agujeros negros iniciales y el agujero negro final. Por lo tanto, la diferencia de masa citada y su incertidumbre en la Tabla 1 de este documento de $1.0^{+0.1}_{-0.2}M_{\odot}$ se obtiene a partir de la distribución de los posibles modelos que se ajustan a los datos (tanto en la fase de inspiración como en la de descenso) y, por tanto, de la distribución de los "déficits de masa" que estos modelos predicen. No proviene de hacer álgebra simple sobre los parámetros citados para las masas inicial y final de los agujeros negros.

Answer 2

Tiene usted razón al asombrarse y cuestionar la afirmación de que las ondas gravitacionales irradian 1 masa solar equivalente de energía pura. Yo mismo me encontraba en una posición similar en febrero, cuando anunciaron que la primera fusión de agujeros negros que detectaron había irradiado 3 masas solares (o más que todo el universo observable en esa fracción de segundo). Pero después de haber trabajado en las ondas gravitacionales durante un tiempo, he empezado a acostumbrarme a estas cifras tan alucinantes. Sin entrar en las matemáticas detalladas que hay detrás de la relatividad general y las ecuaciones de conservación de la energía, no puedo dar una respuesta firme, pero lo que diría es que si crees que LIGO puede realmente detectar estos minúsculos cambios de longitud ( $10^{-21}$ ), que se cita como:

como medir con precisión la distancia de la Tierra a la estrella más cercana -3 años luz- con la anchura de un cabello humano

entonces no deberías tener ningún problema en creer que 1 masa solar entera de energía fue irradiada por estos agujeros negros fusionándose :)