Se Analizan Señales de Ondas Gravitacionales para Detectar el Efecto de Memoria Gravitacional

Un Metaanálisis en Curso de las Señales de Ondas Gravitacionales podría demostrar pronto que el Espacio Recuerda: es posible que pronto se detecten huellas permanentes de memoria en el espaciotiempo, lo que supondrá una validación de la predicción de Nassim Haramein y nuestro equipo de investigación de que el espacio tiene la propiedad de la memoria, en la que describimos cómo la huella informativa de la memoria en el espacio es lo que genera holográficamente el tiempo -es decir, que el espaciotiempo en 4D es una proyección holográfica de una red de información de vóxeles en 3D-, así como propiedades de ordenación subyacentes a la dinámica de la materia organizada. El efecto memoria de las ondas gravitacionales es una predicción de la relatividad general, y los físicos han ideado una prueba de este interesante efecto de memoria espacial mediante un metaanálisis de los datos de los detectores de ondas gravitacionales. La presencia de efectos de memoria en las señales de ondas gravitacionales no sólo ofrece la oportunidad de probar un aspecto importante de la relatividad general, sino que también representa una contribución potencialmente no despreciable a la forma de onda para ciertos eventos de ondas gravitacionales. Además, las propiedades de memoria del espacio tendrán implicaciones de gran alcance, desde el sondeo de teorías de la gravedad cuántica y la física unificada hasta posibles aplicaciones en tecnologías de telecomunicaciones.

Por: William Brown, científico de Resonance Science Foundation

Las ondas gravitacionales, oscilaciones o más coloquialmente "ondulaciones" en el medio sustantivo del espaciotiempo, fueron predichas por primera vez por la teoría de la relatividad general de Albert Einstein hace más de un siglo. Estas ondas pueden ser bastante ubicuas, lo que se conoce como fondo de ondas gravitacionales (GWB), similar al fondo cósmico de microondas (CMB). Las ondas gravitacionales que se han detectado hasta la fecha son generadas por algunos de los procesos más violentos y energéticos del cosmos, como la fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones. Sin embargo, un fenómeno menos conocido relacionado con las ondas gravitacionales, denominado efecto de memoria gravitacional, ha acaparado la atención de la comunidad científica. Este artículo profundiza en el intrigante concepto de la memoria gravitatoria y sus implicaciones para nuestra comprensión de las fuerzas fundamentales del universo.

Comprendiendo las Ondas Gravitacionales

Las ondas gravitacionales son perturbaciones de la curvatura del espaciotiempo que se propagan como ondas a la velocidad de la luz. Se generan cuando objetos celestes masivos aceleran de forma asimétrica, provocando oscilaciones en el campo gravitatorio que se irradian hacia el exterior. Estas ondas transportan información sobre sus orígenes y viajan a través del universo, permitiendo a los astrónomos sondear el cosmos de una forma única.

El Efecto de Memoria Gravitacional

El efecto de memoria gravitacional es una manifestación del cambio persistente en las distancias relativas entre partículas de prueba debido al paso de ondas gravitatorias. A diferencia de la naturaleza oscilatoria de las ondas gravitacionales, el efecto memoria produce un cambio permanente en la separación de los objetos a su paso. Este fenómeno es consecuencia de la naturaleza no lineal de la gravedad en la teoría de la relatividad general de Einstein.

Tipos de Memoria Gravitacional

El efecto de memoria gravitacional puede clasificarse en dos tipos: positivo y negativo. Una memoria positiva se traduce en un aumento de la separación de las partículas de prueba, mientras que una memoria negativa provoca una disminución. Estos cambios se producen a lo largo de la dirección de propagación de la onda gravitacional.

Historia del Análisis Empírico de las Ondas Gravitacionales y Predicción del Efecto de Memoria

Joseph Weber, físico estadounidense, afirmó haber descubierto la  radiación gravitacional en la década de 1960 [1]. Él desarrolló unos detectores muy sensibles conocidos como barras de Weber, diseñados para detectar pequeñas vibraciones causadas por el paso de ondas gravitacionales. Su afirmación se basaba en las observaciones realizadas con estos detectores.

Los trabajos de Weber suscitaron gran interés entre la comunidad científica y los medios de comunicación. El posible descubrimiento de la radiación gravitacional era revolucionario, ya que habría supuesto la confirmación experimental de una predicción fundamental de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.

Los experimentos de Weber utilizaban cilindros de aluminio, o "barras de Weber", diseñados para resonar a frecuencias específicas cuando se exponían a ondas gravitacionales. Weber afirmó haber detectado ondas gravitacionales procedentes de diversos fenómenos cósmicos, como restos de supernovas y sistemas estelares binarios.

Sin embargo, con el tiempo empezó a crecer el escepticismo sobre la validez de los resultados de Weber. Otros investigadores intentaron replicar sus conclusiones, pero tuvieron dificultades para reproducir los resultados con el mismo nivel de coherencia y significación estadística. Físicos como Yakov Zeldovich, un destacado físico teórico y cosmólogo soviético -que desempeñó un papel decisivo en la formulación de cómo la resonancia de ondas puede convertir las ondas electromagnéticas en ondas gravitacionales-, realizaron cálculos que demostraban explícitamente cómo las barras de Weber tendrían que ser 100 millones de veces más sensibles de lo que se había informado para detectar incluso las mayores fuentes de ondas gravitacionales teóricamente posibles, como las procedentes de un cúmulo superdenso de estrellas altamente interactivo.

Sin embargo, el análisis utilizado para demostrar que Weber estaba equivocado condujo a una predicción notable. En la década de 1970, en colaboración con su colega Alexander Polnarev, Zeldovich predijo que el paso de las ondas gravitacionales provocaría un cambio permanente en la separación relativa de las partículas de prueba, como un registro o memoria del paso de la radiación gravitacional. Su trabajo sentó las bases para la comprensión teórica del efecto de memoria gravitacional, destacando su importancia potencial en el estudio de las ondas gravitacionales y las implicaciones para la física fundamental. El análisis teórico de Zeldovich y Polnarev proporcionó un marco para que investigadores posteriores exploraran este intrigante fenómeno con más detalle.

Los conocimientos de Zeldovich sobre el comportamiento de las ondas gravitacionales y su impacto en el espaciotiempo fueron decisivos para avanzar en nuestra comprensión de cómo estas ondas pueden inducir alteraciones duraderas en la geometría del espacio. Este trabajo pionero contribuyó al desarrollo de esfuerzos experimentales para detectar y estudiar el efecto de memoria gravitacional.

Aunque el papel de Zeldovich fue principalmente teórico, sus contribuciones han sido fundamentales para dar forma a nuestra comprensión de las ondas gravitacionales y sus efectos asociados, incluida la memoria gravitacional. Las validaciones experimentales posteriores del efecto de memoria gravitacional han confirmado aún más la exactitud de las predicciones de Zeldovich y Polnarev, consolidando su lugar en la historia de la investigación de las ondas gravitacionales.

Para Weber, varios factores contribuyeron a sembrar dudas en torno a sus afirmaciones:

1. Problemas de replicación: Otros grupos de investigación tuvieron dificultades para replicar los resultados de Weber, lo que suscitó dudas sobre la fiabilidad y reproducibilidad de sus hallazgos experimentales.
2. Importancia estadística: La importancia estadística de los resultados de Weber fue objeto de debate. Las señales detectadas estaban a menudo cerca del umbral de detectabilidad, lo que planteaba dudas sobre la fiabilidad de los datos.
3. Ruido e interferencias: La sensibilidad de los instrumentos de Weber los hacía susceptibles a diversas fuentes de ruido e interferencias, como la actividad sísmica y las fluctuaciones térmicas. Distinguir las verdaderas señales de ondas gravitacionales del ruido resultó ser un reto importante.
4. Falta de correlación: Las observaciones de Weber no se correlacionaron sistemáticamente con los fenómenos astrofísicos previstos que deberían haber producido ondas gravitacionales, lo que puso en duda la legitimidad de sus detecciones.

Con el paso de los años, los avances posteriores en las tecnologías de detección de ondas gravitacionales, como el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO), aportaron pruebas más precisas y fiables de la existencia de las ondas gravitacionales. El éxito de LIGO en la detección directa de ondas gravitacionales en 2015 mediante la observación de agujeros negros en fusión, desacreditó las afirmaciones de Weber.

En retrospectiva, aunque el trabajo de Joseph Weber influyó a la hora de sentar las bases para la detección de ondas gravitacionales, los avances tecnológicos posteriores y el éxito de experimentos más precisos, han remodelado nuestra comprensión de las ondas gravitacionales y reforzado la exactitud de la teoría general de la relatividad de Einstein.

Efecto de Memoria del Agujero Negro

La investigación de la afirmación de Weber sobre la detección de ondas gravitacionales y la posterior elucidación y predicción de los efectos de memoria de las ondas gravitacionales por parte de Yakov Zeldovich y Alexander Polnarev, les llevó a otra predicción relacionada de un efecto similar que se produce en la geometría del espaciotiempo de los horizontes de sucesos de los agujeros negros: un "efecto de memoria de los agujeros negros". Este efecto es consecuencia de la naturaleza no lineal de la relatividad general y surge cuando el paso de ondas gravitacionales por una región del espacio cercana a un agujero negro provoca una distorsión en la geometría del espaciotiempo. Esta distorsión provoca un cambio en las órbitas y la dinámica de las partículas en las proximidades del agujero negro. Incluso después de que las ondas gravitacionales hayan pasado, este cambio persiste, creando una memoria duradera en la estructura del espaciotiempo.

En términos más técnicos, el efecto memoria de los agujeros negros está relacionado con las llamadas "simetrías asintóticas" de la gravedad. Se trata de transformaciones que afectan a la geometría del espaciotiempo en el infinito y pueden dejar una marca permanente en el espacio que rodea a un agujero negro. Se trata de un importante campo de estudio de la física de las ondas gravitacionales, que ayuda a los investigadores a comprender el impacto duradero de las ondas gravitacionales en el tejido del universo y sus implicaciones para la astrofísica y la física fundamental.

Detección del Efecto de Memoria Gravitacional No Lineal

Combinando los datos de los detectores de ondas gravitacionales -grandes interferómetros láser de alta sensibilidad- LIGO, el detector Virgo en Italia y el detector Kamioka en Japón, puede ser posible extraer del metaanálisis de datos una señal reveladora de los efectos de memoria de las ondas gravitacionales [2]. Este análisis está en marcha, con nuevas observaciones cada semana, lo que eleva el total actual a más de 100, y subiendo. A este ritmo, los experimentadores esperan detectar la memoria gravitacional en unos pocos años. También hay propuestas recientes para detectar el efecto de memoria gravitacional en LISA, utilizando disparadores de detectores terrestres, lo que obviará el problema de la relación señal-ruido (SNR) que surge porque el efecto de memoria está uno o dos órdenes por debajo del nivel de ruido de fondo del detector [3], y para utilizar el observatorio de ondas gravitacionales espacial propuesto por TianQin, diseñado para detectar y estudiar las ondas gravitacionales con alta precisión y sensibilidad [4]. TianQin está concebido como un observatorio de ondas gravitacionales con base en el espacio cuyo objetivo es observar ondas gravitacionales con frecuencias más bajas (en el rango de milihercios a hercios). Esto complementa a observatorios terrestres como LIGO y Virgo, que detectan ondas gravitacionales de mayor frecuencia. El observatorio TianQin se basa en una constelación de tres naves espaciales que forman un triángulo equilátero en el espacio. Estas naves irán equipadas con láseres y acelerómetros de alta sensibilidad para medir los minúsculos desplazamientos provocados por el paso de las ondas gravitacionales. El rango de frecuencias más bajo de TianQin le permite detectar ondas gravitacionales de distintas fuentes, como sistemas binarios masivos (por ejemplo, agujeros negros supermasivos en fusión), inspirales de relación de masas extrema (por ejemplo, un pequeño objeto compacto en órbita alrededor de un agujero negro masivo) y otros sucesos astrofísicos.

_{TianQin es un proyecto de detector de ondas gravitacionales basado en el espacio, como la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA), que aparece en la imagen de arriba en una impresión artística. Crédito: ESA}

Al estar en el espacio, TianQin está libre del ruido sísmico y otras perturbaciones que pueden afectar a los detectores terrestres. Esto le permite detectar ondas gravitacionales de baja frecuencia con mayor sensibilidad y precisión. Durante sus cinco años de funcionamiento, para las señales de ondas gravitacionales que podrían ser detectadas por TianQin, alrededor de 0,5-2,0 señales pueden contener efecto de memoria de desplazamiento con relaciones SNR superiores a 3. Esto sugiere la posibilidad de que TianQin detecte ondas gravitacionales de baja frecuencia con mayor precisión. Esto sugiere que la posibilidad de que TianQin detecte directamente el efecto de memoria de desplazamiento es baja, pero no del todo despreciable.

Implicaciones y Aplicación

El estudio del efecto de memoria gravitacional permite a los físicos sondear la naturaleza fundamental de la gravedad y su comportamiento en condiciones extremas. Este fenómeno promete mejorar nuestra comprensión de la intrincada interacción entre la gravedad y otras fuerzas fundamentales del universo.

Las ondas gravitacionales, incluido su efecto memoria, constituyen una poderosa herramienta para el estudio de los fenómenos astrofísicos. Permiten comprender la dinámica de los sistemas binarios compactos, las propiedades de los agujeros negros en fusión, las estrellas de neutrones y el universo primitivo. La memoria gravitacional puede ser un valioso complemento a nuestro conjunto de herramientas de observación para comprender los acontecimientos cósmicos.

1. Comprensión de la física fundamental y la gravedad: El descubrimiento y estudio del efecto de memoria gravitacional podría contribuir significativamente a nuestra comprensión de la física fundamental, en particular de la gravedad. Proporciona una vía para probar y verificar la naturaleza no lineal de las interacciones gravitatorias, arrojando luz sobre las complejidades del campo gravitacional.
2. Validación de la relatividad general: La memoria gravitacional sirve como validación adicional de la teoría de la relatividad general de Einstein, que ya ha tenido un éxito notable a la hora de explicar el comportamiento de la gravedad y la curvatura del espaciotiempo. La confirmación del efecto de memoria gravitacional reforzaría aún más la credibilidad de la teoría.
3. Nuevas técnicas de detección de ondas gravitacionales: Para detectar y caracterizar con éxito el efecto de memoria gravitacional, es necesario desarrollar técnicas de medición sensibles. La búsqueda de tales técnicas podría conducir a avances en las tecnologías de detección de ondas gravitacionales, mejorando potencialmente nuestra capacidad para estudiar otros aspectos de estas ondas y los sucesos que las generan.
4. Comprensión de sucesos astrofísicos extremos: El estudio de la memoria gravitacional puede aportar valiosos conocimientos sobre la naturaleza de los fenómenos astrofísicos extremos que generan ondas gravitacionales, como las fusiones de agujeros negros y las colisiones de estrellas de neutrones. La comprensión de la memoria gravitacional asociada a estos fenómenos podría ayudarnos a entender mejor su dinámica y las propiedades de los cuerpos celestes implicados.
5. Cosmología y dinámica del universo temprano: Las ondas gravitacionales, incluido su efecto de memoria, ofrecen una herramienta de observación única para estudiar el universo primitivo y su dinámica. El estudio de la memoria gravitacional podría ayudar a los investigadores a desarrollar una comprensión más precisa y detallada del cosmos primitivo, incluyendo su formación y evolución.
6. Innovación tecnológica y aplicaciones: La investigación de la memoria gravitacional puede impulsar avances tecnológicos en instrumentación y dispositivos de medición, lo que podría dar lugar a aplicaciones más allá de la astrofísica. Estas innovaciones podrían encontrar aplicaciones en tecnologías de detección de precisión y posiblemente influir en campos como las telecomunicaciones y la navegación. Como ya comentamos en nuestro anterior artículo Control de la gravedad mediante resonancia de ondas [4], las ondas gravitacionales de alta frecuencia podrían generarse y utilizarse para comunicaciones inalámbricas de alta fidelidad absolutamente sin obstáculos, y comprender las sutiles pero permanentes perturbaciones inducidas en la geometría del espaciotiempo por estas enérgicas oscilaciones podría tener aplicaciones corolarias de gran interés.

Resonance Science Foundation- en perspectiva:

El efecto de perturbación casi indetectable de la memoria de las ondas gravitacionales es un indicio relativamente sutil del atributo de memoria del espacio derivado de las propiedades sustantivas del vacío como medio físico, pero no es el único mecanismo por el que pueden manifestarse potencialmente las propiedades de memoria del espacio. Por ejemplo, se ha propuesto que la interacción gravitacional medie en comportamientos mecánicos cuánticos por excelencia como el entrelazamiento, como en la conjetura de correspondencia holográfica ERb=EPR de Susskind y Maldacena [5]. Como tal, el nexo de entrelazamiento del espaciomemoria, puede ser integral en la codificación de los estados de memoria qubit que ocurren naturalmente en los sistemas que interactúan a nuestro alrededor [6].

En cuanto a lo que la investigación de las ondas gravitacionales puede ayudarnos a aprender sobre astrofísica, cosmología y gravedad cuántica, es importante señalar que, dentro de nuestro enfoque de física unificada, las ondas gravitacionales no sólo se generan en sucesos de alta energía masiva, como las fusiones de agujeros negros. Predecimos que las ondas gravitacionales serán un fenómeno bastante ubicuo que se producirá a muchas escalas. Las ondas gravitacionales emanan probablemente de partículas fundamentales como el protón y se generan incluso a la escala de Planck. El papel de esta radiación oscilatoria del propio espaciotiempo constituirá una contribución significativa a la dinámica energética de los sistemas materiales, y la compleja interacción de fuentes radiativas multicorpóreas que generan formas de onda de interferencia constructiva y destructiva y resonancia de ondas, puede muy bien ser un factor importante en las propiedades de la memoria holográfica del espacio.

El efecto de memoria gravitacional, consecuencia de las ondas gravitacionales, sigue siendo un aspecto fascinante y relativamente inexplorado de la relatividad general. A medida que avanza la tecnología de detección de ondas gravitacionales, los científicos están ansiosos por desvelar los misterios que rodean a este fenómeno. Desvelar el efecto de memoria gravitacional, no sólo amplía nuestra comprensión de las fuerzas fundamentales que dan forma al cosmos, sino que también promete una comprensión más profunda de la intrincada danza del universo.

Referencias

[1] J. Weber, “Evidence for Discovery of Gravitational Radiation,” Phys. Rev. Lett., vol. 22, no. 24, pp. 1320–1324, Jun. 1969, doi: 10.1103/PhysRevLett.22.1320.

[2] P. D. Lasky, E. Thrane, Y. Levin, J. Blackman, and Y. Chen, “Detecting Gravitational-Wave Memory with LIGO: Implications of GW150914,” Phys. Rev. Lett., vol. 117, no. 6, p. 061102, Aug. 2016, doi: 10.1103/PhysRevLett.117.061102.

[3] S. Sun, C. Shi, J. Zhang, and J. Mei, “Detecting the gravitational wave memory effect with TianQin,” Phys. Rev. D, vol. 107, no. 4, p. 044023, Feb. 2023, doi: 10.1103/PhysRevD.107.044023.

[4] W. Brown, “Gravity Control via Wave Resonance.” Sep. 2023. Accessed: Oct. 16, 2023. [Online]. Available: https://www.resonancescience.org/blog/gravity-control-via-wave-resonance

[5] B. Kain, “Probing the Connection between Entangled Particles and Wormholes in General Relativity,” Phys. Rev. Lett., vol. 131, no. 10, p. 101001, Sep. 2023, doi: 10.1103/PhysRevLett.131.101001.

[6] W. Brown, “Unified Physics and the Entanglement Nexus of Awareness,” NeuroQuantology, vol. 17, no. 7, pp. 40–52, Jul. 2019, doi: 10.14704/nq.2019.17.7.2519.