Nel 1973, Grishchuk e Sazhin hanno proposto nel loro articolo "Emissione di onde gravitazionali da una cavità elettromagnetica", un metodo mediante il quale generare onde gravitazionali per esperimenti, utilizzando l'argomento che mentre la generazione sarebbe molto debole, sarebbe inoltre non soffre del decadimento di $ r ^ {- 2} $.

L'idea era di generare una rapida variazione del momento quadrupolare negli elettroni di una cavità metallica applicandovi radiazioni EM ad altissima frequenza. La media del flusso di energia è risultata essere dell'ordine $ G c ^ {- 3} R ^ {- 2} \ lambda ^ 2 r_0 ^ 2 \ varepsilon ^ 2 $, con $ \ lambda $ la frequenza gravitazionale radiazione, $ r_0 $ la dimensione caratteristica della cavità e $ \ varepsilon $ la densità di energia dell'onda EM.

Dall'aspetto di $ G c ^ {- 3} $, puoi dire che sarà abbastanza piccolo. Non so se questa idea sia mai stata discussa di nuovo (questo articolo non è stato quasi mai citato), o se sarebbe più plausibile oggi, ma è certamente un setup piuttosto complesso per risultati molto piccoli.

Sebbene sia vero che LIGO è incredibilmente sensibile, in modo tale da poter misurare le increspature nello spazio-tempo fino a qualche $ 1000 $ volte più piccole della larghezza di un protone, è altrettanto importante considerare, ad esempio, l'evento GW150914, evidenziando così pochi altri fattori coinvolti nella produzione e nel rilevamento delle onde gravitazionali:

• La lunghezza delle braccia di LIGO è di $ 4 km $ ciascuno fisicamente e $ 1120 km $ virtualmente - vedi fonte ufficiale e interferometro Fabry – Pérot.

• Si pensava che la coppia di buchi neri in questo evento avesse una massa compresa tra $ 30 milioni _ {\ odot} $ e $ 35 milioni _ {\ odot} $ ciascuno, in orbita sufficientemente vicini l'uno all'altro, a circa $ 0,3c $ a $ 0.6c $ (dove $ c = 3 \ times 10 ^ {8} ms ^ {- 1} $), risultando infine in una fusione in $ 0,2 $ secondi. La fusione ha irradiato l'energia di massa di circa $ 3M _ {\ odot} $ come onde gravitazionali.

• La coppia di buchi neri è stata stimata a una distanza di circa $ 1,4 \ pm0,6 $ miliardi di anni luce dalla Terra (nota aggiuntiva: il raggio dell'Universo osservabile è $ 46 $ miliardi di anni luce). Quindi su scala cosmologica, quella distanza è quasi nelle nostre vicinanze.

• Quando questi buchi neri si sono fusi, hanno emesso l'energia di picco di circa $ 3,6 \ times10 ^ {49} Watt $ (circa $ 5,3 \ times10 ^ {47} Joule $). Wiki afferma che questo è più del potere combinato della luce di tutte le stelle dell'universo osservabile. Solo per aggiungere un po 'di prospettiva, l'acceleratore di particelle più potente LHC ha avuto una potenza massima di $ 13TeV $, ovvero $ 2 \ times10 ^ {- 6} Joule $.

Nonostante il numero sopra menzionato di masse di oggetti, la loro velocità e l'energia emessa a causa della loro collisione sono estremamente enormi, inoltrel'evento di fusione del buco nero che si sta verificando quasi nel nostro vicinato , le increspature in decomposizione che hanno raggiunto la Terra avevano a malapena abbastanza forza per essere rilevate da LIGO in unfrequenza di $ 35 Hz $ a $ 250 Hz $ e creare la distorsione misurabile sulla scala di un millesimo di larghezza di un protone!

Quindi, tenendo a mente questi fattori, si può immaginare la probabilità di creare un laboratorio in grado di accogliere tali masse, per non parlare di accelerarle a velocità relativistiche e provocare una collisione tra di loro, eppureeseguire tutto questo in un ambiente controllato per avere la possibilità di produrre / rilevare onde gravitazionali.

Risposta breve

Puoi, ma per renderli rilevabili, hai bisogno di molta di massa e non puoi (realisticamente) compensare questo solo avvicinandoti.

Risposta lunga

Nel caso di due masse orbitanti (ad esempio, un sistema binario o una coppia di protoni), la quantità misurata - l'ampiezza strain - delle onde gravitazionali emesse scala come:

$$ | h | \ propto \ frac {v ^ 2M} {R} $$

dove $ M $ è la massa del sistema, $ R $ è la distanza tra il rivelatore e la sorgente e $ v $ è la velocità orbitale. Nota che questa non è una dipendenza del quadrato inverso da $ R $, quindi la distanza non ha importanza quanto per i telescopi EM, che misurano il flusso di energia attraverso un sensore di imaging, proporzionale a $ R ^ {-2} $.

Dato che l'evento GW150914 era vicino alla soglia di rilevabilità, con $ | h | \ approx 10 ^ {- 21} $, possiamo capire approssimativamente come l'ampiezza si ridimensionerebbe se dovessimo condurre un esperimento con una coppia di protoni accelerati osservati da, diciamo, $ 1 \, \ mathrm {m} $.

$$ \ frac {M_ \ text {proton}} {M_ \ text {GW150914}} \ approx \ frac {1.7 \ times10 ^ {- 27} \, \ mathrm {kg}} {3 \ times10 ^ { 31} \, \ mathrm {kg}} \ approx 2.8 \ times10 ^ {- 58} $$

$$ \ frac {R_ {GW150914}} {1 \, \ mathrm {m}} \ approx \ frac {1.4 \ times10 ^ {25} \, \ mathrm {m}} {1 \, \ mathrm { m}} \ circa 1,4 \ volte10 ^ {25} $$

Quindi dobbiamo già superare un calo di ampiezza di un fattore di $ 3,9 \ times10 ^ {33} $. Anche con LHC, dove $ v>0.9c $, non è possibile recuperare 33 ordini di grandezza! Inoltre, tieni presente che puoi osservare solo le onde nel limite del campo lontano $ R \ gg r $ (dove $ r $ è il raggio orbitale).

Si discute di questo in Fondamenti di rilevatori di onde gravitazionali interferometriche.

Semplicemente perché la gravità è troppo debole.

È necessaria una quantità di materia letteralmente astronomica per produrre campi gravitazionali significativi.E per produrre una radiazione gravitazionale significativa, i "requisiti di sistema" sono ancora più elevati: è necessaria una quantità astronomica di materia che si muove violentemente.

Ti manca una cosa molto importante. Lo spaziotempo è già distorto sulla Terra, molto più delle onde che abbiamo rilevato - e le distorsioni dello spaziotempo non sono l'unica cosa che i rilevatori LIGO rilevano. I rilevatori sono estremamente sensibili, ma per essere utili devono essere in grado di riconoscere la differenza tra un'onda gravitazionale e un camion che passa.

Una soluzione a questo è che ci sono due osservatori LIGO separati. Quando una distorsione appare su uno ma non sull'altro, sappiamo che proviene da una fonte ambientale, come il rumore termico, le vibrazioni del suolo, forse anche lo spostamento della gravità terrestre (non sono sicuro che i cambiamenti siano abbastanza grandi da essere rilevabili da LIGO). Quindi, per rilevare un'onda gravitazionale, il "fronte d'onda" deve essere abbastanza grande da influenzare entrambi gli osservatori a intervalli di tempo precisi (relativi alla sorgente). Di certo non abbiamo l'energia o l'attrezzatura per produrre un'onda gravitazionale abbastanza massiccia per questo.

LIGO potrebbe rilevare un'onda gravitazionale artificiale? Forse, come hai notato, è molto sensibile. Potrebbe isolarlo dal rumore? No, non di gran lunga. L'osservatorio di Livingston si trova in realtà all'interno di una foresta lavorata e può sentire gli alberi che cadono; cioè, è abbastanza sensibile da rilevare le vibrazioni micro-sismiche dell'albero che colpisce il suolo, così come i camion che trasportano i tronchi. Sono abbastanza sicuro che non ci sia un posto sulla Terra dove potresti mettere un osservatorio simile senza avere un rumore ambientale di gran lunga superiore a quello che ci si aspetterebbe dalle onde gravitazionali prodotte dall'uomo e, a queste scale, la differenza nella velocità di propagazione delle onde gravitazionali e delle onde sismiche che accompagnano dalla sorgente potrebbero essere inferiori alla nostra capacità di rilevarle - per non parlare del fatto che anche con un solo osservatorio, è comunque necessario un fronte d'onda che appaia "piatto" al rivelatore stesso, con le sue dimensioni di 4 km x 4 km; è un bel problema dato che le onde si espandono in tre dimensioni.

Possiamo produrre onde gravitazionali in laboratorio! Per esempio, dobbiamo solo muovere il nostro corpo e produrremo già queste onde. Tuttavia, le onde saranno così deboli che con le tecniche di misurazione odierne non saremo in grado di misurarle.Al momento la sensibilità dell'esperimento LIGO è di parecchi ordini di grandezza troppo bassa per misurare le onde gravitazionali prodotte dagli esseri umani.