Explorando la posibilidad de investigar las simetrías fundamentales del espacio-tiempo a través de la memoria de ondas gravitacionales

6 de julio de 2024 característica

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Como predice la teoría de la relatividad general, el paso de las ondas gravitacionales puede dejar un cambio medible en las posiciones relativas de los objetos. Este fenómeno físico, conocido como memoria de ondas gravitacionales, podría aprovecharse potencialmente para estudiar tanto las ondas gravitacionales como el espacio-tiempo.

Investigadores del Instituto de Ciencias de Gran Sasso (GSSI) y la Escuela Internacional de Estudios Avanzados (SISSA) llevaron a cabo recientemente un estudio explorando la posibilidad de usar la memoria de ondas gravitacionales para medir simetrías del espacio-tiempo, propiedades fundamentales del espacio-tiempo que permanecen iguales tras transformaciones específicas. Su documento, publicado en Physical Review Letters, sugiere que estas simetrías podrían ser investigadas mediante la observación de la memoria de desplazamiento y giro.

'Durante mucho tiempo, tuve curiosidad sobre el fenómeno de la memoria de ondas gravitacionales y la conexión de la física de baja energía asociada con la mecánica cuántica,' Boris Goncharov, coautor del artículo, dijo a Phys.org. 'Primero escuché sobre el teorema del graviton suave de Weinberg del Prof. Paul Lasky en la Universidad de Monash en Australia, durante mi doctorado, al discutir la memoria de las ondas gravitacionales. Luego aprendí sobre el llamado 'Triángulo Infrarrojo' que conecta el teorema suave con la memoria de ondas gravitacionales y las simetrías del espacio-tiempo en el infinito desde fuentes de ondas gravitacionales.'

El teorema del graviton suave de Weinberg y el 'triángulo infrarrojo' son formulaciones matemáticas que describen el mismo fenómeno físico: la memoria de ondas gravitacionales. Como parte de su estudio reciente, Goncharov y sus colegas se propusieron explorar la posibilidad de aprovechar la memoria de ondas gravitacionales para investigar las simetrías del espacio-tiempo.

'Este fenómeno juega un papel en un intento continuo de describir una teoría insumergible de cien años de antigüedad e incompatible con el mundo microscópico: la teoría de la gravedad de Einstein—Relatividad General—como una teoría de campo cuántico en el borde asintótico del espacio-tiempo,' dijo Goncharov.

'Este enfoque para una unificación en la física me parece sustancial y prometedor; lo encuentro muy emocionante. Nuestro proyecto específico surgió al discutir nuevos avances en este campo con la Prof. Laura Donnay, coautora de la publicación.'

Cuando revisaron la literatura previa en esta área, los investigadores encontraron que se discutía un número creciente de simetrías del espacio-tiempo distantes, pero no estaba claro cuáles de esas simetrías y los términos de memoria correspondientes existen en la naturaleza. Mientras que varios físicos habían explorado la posibilidad de detectar la memoria de ondas gravitacionales, Goncharov y sus colegas no estaban seguros sobre qué física podía ser restringida usando sus mediciones.

'La idea de que podríamos probar estas simetrías del espacio-tiempo fue central en nuestro estudio,' explicó Goncharov. 'Otro aspecto es que el Prof. Jan Harms y yo somos miembros de la colaboración del Telescopio Einstein, por lo que era importante investigar las perspectivas observacionales de la memoria de ondas gravitacionales. El Telescopio Einstein es el detector de ondas gravitacionales terrestres de próxima generación planeado para la década de 2030.'

Hasta ahora, los investigadores aún no habían introducido un enfoque convencional para medir las simetrías del espacio-tiempo a través de la observación de los efectos de la memoria de ondas gravitacionales. El reciente artículo de Goncharov y sus colegas tenía como objetivo llenar este aparente vacío en la literatura.

'Hubo mucho trabajo importante previo centrado en (a) predecir cuándo y con qué instrumentos podremos detectar varios términos de memoria de ondas gravitacionales, (b) cómo calcular los efectos de la memoria de ondas gravitacionales analíticamente o usando la relatividad numérica, y (c) cómo diferentes modelos de simetrías del espacio-tiempo producen términos de memoria de ondas gravitacionales,' dijo Goncharov. 'Sin embargo, una discusión sobre las simetrías del espacio-tiempo basada en los efectos de memoria observados parecía un vacío en la literatura.'

El reciente trabajo de estos investigadores podría ser visto como una prueba de principio. En su artículo, introducen nuevas pruebas observacionales que podrían ser utilizadas para investigar las simetrías del espacio-tiempo, al tiempo que describen posibles limitaciones de su enfoque sugerido, las cuales podrían abordarse en el futuro.

En general, su estudio sugiere que el conjunto de pruebas de la teoría de la relatividad general podría ampliarse. Además, proporciona algunos cálculos útiles que podrían realizarse utilizando datos recopilados por varios detectores de ondas gravitacionales.

Goncharov and his colleagues hope that their paper will open further discussions about spacetime symmetries and gravitational wave memory among others within their research community. These discussions could potentially pave the way towards the unification of various physics theories.

'At the moment, with Sharon Tomson (a new Ph.D. student at my current institute, AEI in Hannover, Germany), and Dr. Rutger van Haasteren, I am starting a search for gravitational wave memory with Pulsar Timing Arrays (PTAs).'

PTAs are tools for astronomical observation that collect highly stable and regular signals originating from pulsars (i.e., rapidly spinning neutron stars), using radio telescopes on Earth. These neutron stars behave like highly precise clocks, as they are sensitive enough to pick up delays and advances of radio pulses resulting from the propagation of gravitational waves across the Milky Way.

'PTAs are galactic-scale detectors, which currently seem to be gradually picking up a joint hum of slowly inspiraling supermassive binary black holes in the nearby universe. The signal yields slow variations in pulse arrival times that are most prominent on timescales of several years to decades,' Goncharov added.

'One standing out merger of supermassive binary black holes in a nearby galaxy may cause a gravitational wave burst with memory, detectable by PTAs. Although such bursts are very rare, we hope to extract some useful information from the data by placing limits on their existence.'

Journal information: Physical Review Letters , arXiv

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