Bernard F. Schutz FInstP FLSW (nacido el 11 de agosto de 1946 en Paterson, Nueva Jersey ) [1] es un físico estadounidense y británico naturalizado . Es muy conocido por sus investigaciones en la teoría de la relatividad general de Einstein , especialmente por sus contribuciones a la detección de ondas gravitacionales , y por sus libros de texto. Schutz es miembro de la Royal Society y miembro de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos . Es profesor de física y astronomía en la Universidad de Cardiff , y fue director fundador del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) en Potsdam , Alemania , donde dirigió la división de Relatividad Astrofísica de 1995 a 2014. Schutz fue un fundador e investigador principal de la colaboración de ondas gravitacionales GEO , que pasó a formar parte de la Colaboración Científica LIGO (LSC). Schutz también fue uno de los iniciadores de la propuesta para el detector espacial de ondas gravitacionales LISA (Laser Interferometer Space Antenna), y coordinó la planificación europea para su análisis de datos hasta que la misión fue adoptada por la ESA en 2016. Schutz concibió y en En 1998, la AEI comenzó a publicar la revista de revisión en línea de acceso abierto (OA) Living Reviews in Relativity , que durante muchos años ha sido la revista de acceso abierto de mayor impacto en el mundo, según lo medido por Clarivate. (La revista ahora es publicada por Springer. [2] )
Schutz recibió la Medalla Eddington 2019 de la Royal Astronomical Society (RAS) y la Medalla de Oro Amaldi 2006 de la Sociedad Italiana de Gravitación ( SIGRAV ), compartió el Premio Richard A. Isaacson 2020 de la Sociedad Estadounidense de Física (APS) y fue galardonado un doctorado honorario por la Universidad de Glasgow en 2011. [3] En 2011, también fue elegido miembro de la Learned Society of Wales . [4]
Schutz asistió a Bethpage High School en Long Island, Nueva York, de 1960 a 1964, y luego estudió física en la Universidad Clarkson en Potsdam , Nueva York (en ese momento llamada Clarkson College of Technology). Terminó su carrera en tres años y realizó estudios de posgrado en física en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena, CA. Al año siguiente se incorporó al grupo de investigación de Kip Thorne , finalizando su doctorado en 1971 sobre la teoría de los fluidos en la relatividad general. Una beca de la Fundación Nacional de Ciencias le permitió pasar el año 1971-72 en Cambridge, Inglaterra, donde dividió su tiempo entre el grupo de investigación de Stephen Hawking y el Instituto de Astronomía, dirigido por Martin Rees . Luego pasó a un puesto postdoctoral en la Universidad de Yale , en el grupo de James Bardeen , donde inició una fructífera colaboración con su colega postdoctoral John Friedman. [5]
En 1974, Schutz aceptó un puesto como profesor en la Universidad de Cardiff en Gales (entonces llamada University College Cardiff), uniéndose al recién creado grupo de astronomía en el departamento de Matemáticas Aplicadas, presidido por Chandra Wickramasinghe . Schutz formó un gran grupo de investigación que estudiaba las estrellas relativistas y su dinámica. Como consecuencia de sus responsabilidades docentes, escribió dos libros de texto bien recibidos, Métodos geométricos de física matemática y Un primer curso de relatividad general (ver Bibliografía). Schutz se convirtió en profesor titular en 1986, cuando comenzó a reorientar su investigación hacia la detección de ondas gravitacionales .
Durante su estancia en Cardiff, Schutz organizó una serie irregular de reuniones, los Talleres de Relatividad Gregynog, celebrados en el centro de conferencias Gregynog en el centro de Gales [6] . Estas reuniones se convirtieron en una forma popular para que los especialistas en relatividad en el Reino Unido y en todo el mundo se reunieran. Las discusiones informales se centraron en problemas clave de investigación. En 1986 y 1987, Schutz organizó dos reuniones internacionales en Cardiff cuyo objetivo era mejorar la coordinación y el intercambio de datos entre proyectos de detectores de ondas gravitacionales. El segundo fue patrocinado por la OTAN y editó sus actas publicadas, Gravitational Wave Data Analysis. Schutz formó parte de varios comités asesores de los consejos de investigación del Reino Unido y, finalmente, se convirtió en el primer presidente del Comité de Astronomía del recién creado Consejo de Investigación de Astronomía y Física de Partículas (PPARC), 1994-95.
En 1995, Schutz se mudó a Alemania para unirse a Jürgen Ehlers en la fundación del Instituto Max Planck de Física Gravitacional, comúnmente conocido como Instituto Albert Einstein (AEI). Fue establecido en Potsdam , Alemania, por la Sociedad Max Planck (MPS) como parte de su esfuerzo por expandir la investigación científica en áreas de la antigua Alemania Oriental, luego de la reunificación alemana en 1990. Ehlers dirigió el trabajo en relatividad general matemática y Schutz se centró en astrofísica. relatividad , incluidas simulaciones numéricas de agujeros negros y estudios teóricos que respaldan los detectores de ondas gravitacionales. [7] Gracias a la generosa financiación del MPS, el instituto se expandió rápidamente y en 1997 se añadió un tercer director ( Hermann Nicolai , para la gravedad cuántica ). Después de que Ehlers se jubilara a finales de 1998, Schutz se convirtió en director general y supervisó la creación de una segunda sucursal del Instituto. la AEI en Hannover en 2002. [8] Esta rama, dirigida por Karsten Danzmann, gestionó el detector de ondas gravitacionales GEO600 y rápidamente se convirtió en un importante centro de física experimental de ondas gravitacionales, desarrollando tecnologías clave tanto para los detectores terrestres como para el GEO600 y el LIGO. y para la misión de demostración de tecnología espacial LISA-Pathfinder , la misión detectora de ondas gravitacionales LISA (Laser Interferometer Space Antenna) y la misión de geodesia espacial GRACE Follow-On . [9] Bruce Allen se unió a la sucursal de Hannover en 2007 como Director de la nueva división de Relatividad Observacional y Cosmología. [10]
Después de 1995, Schutz formó parte de varios comités de la Agencia Espacial Europea, incluida la presidencia de su Grupo Asesor de Física Fundamental de 2004 a 2008. Formó parte del Comité Ejecutivo de la LSC desde 2003 hasta 2019.
Schutz es conocido por su defensa de las publicaciones científicas de acceso abierto. En la AEI, Schutz fundó y en 1998 comenzó a publicar la revista de revisión en línea de acceso abierto Living Reviews in Relativity . [11] Fue único porque sus autores actualizaban periódicamente sus artículos de revisión. Esta característica resultó atractiva para los lectores y (según el recuento de citas por artículo) la revista ha tenido durante muchos años el factor de impacto más alto de cualquier revista de acceso abierto en todo el mundo. Su revista hermana, Living Reviews in Solar Physics , que comenzó a publicarse en 2004 desde el Instituto Max Plank de Física Solar , también es muy citada y se encuentra constantemente entre las 100 primeras a nivel mundial. [12] Una tercera revista, Living Reviews in Computational Astrophysics, comenzó a publicarse en 2015. Las tres revistas ahora son publicadas por Springer. Schutz fue miembro del consejo editorial de la primera revista en acceso abierto publicada por la APS , Physical Review X , desde sus inicios en 2011 hasta 2018. [13] Actualmente es miembro del consejo editorial de Proceedings of the National Academy of Ciencias. [14]
El concepto de Living Reviews fue una de las inspiraciones para la Declaración de Berlín sobre Acceso Abierto de 2003, [15] y Schutz ayudó a organizar muchas de las series continuas de Conferencias OA de Berlín en lugares de todo el mundo. Fue anfitrión del 4º en la AEI. [16] Por sus contribuciones a la expansión de OA, recibió el Premio Communitas de la Sociedad Max Planck en 2013. [17]
Schutz ha tenido durante mucho tiempo un gran interés en la divulgación y la educación científicas. Su libro Gravity from the Ground Up [18] proporciona a estudiantes avanzados de secundaria y universitarios una introducción intuitiva a la gravedad moderna utilizando únicamente álgebra, evitando así las desalentadoras matemáticas de la relatividad general. Junto con Milde Science Communications, Schutz desarrolló el sitio web Scienceface, [19] que ofrece entrevistas originales y vídeos cortos de científicos que trabajan con agujeros negros y ondas gravitacionales. Nuevamente con la ayuda de Milde Science Communications y también de Exozet Potsdam, Schutz desarrolló una popular conferencia multimedia sobre ondas gravitacionales llamada Música de las esferas, que presentó en muchos lugares del mundo, hasta la primera detección en 2015. [20]
En 2014, Schutz se retiró de la AEI y se convirtió en director emérito, y regresó a la Universidad de Cardiff para ocupar una cátedra a tiempo parcial. Su primera actividad allí fue ayudar a crear y luego convertirse en el primer director del Instituto de Investigación en Innovación de Datos, que ayuda a los grupos de investigación de la universidad que se ocupan de cuestiones de big data. [21] Después de dejar esto, Schutz volvió a investigar y enseñar en relatividad general y ondas gravitacionales en Cardiff. [22] En 2015 se convirtió en profesor adjunto de física en el Instituto de Tecnología de Georgia. [23]
En su tesis doctoral de 1971, Schutz reformuló las ecuaciones relativistas de la dinámica de fluidos en términos de potenciales de velocidad escalar,[1] un enfoque que desde entonces ha tenido muchas aplicaciones en la teoría de campos y la cosmología. Usó esta reformulación en su tesis para desarrollar un marco para estudiar la pulsación y la estabilidad de las estrellas en la relatividad general.
Este primer trabajo condujo, en colaboración con John Friedman durante la década de 1970, a la elucidación de la inesperada inestabilidad de las estrellas en rotación impulsada por ondas gravitacionales, notada por primera vez por Chandrasekhar en el modelo simple de estrellas de densidad uniforme. [24] [25] En lo que ahora se llama inestabilidad Chandrasekhar-Friedman-Schutz (CFS), la emisión de ondas gravitacionales aprovecha la energía rotacional de la estrella de tal manera que una pequeña perturbación inicial crecerá exponencialmente rápido a menos que sea lo suficientemente grande. fuertemente amortiguado por algún otro efecto, como la viscosidad. Se trata de una inestabilidad genérica, potencialmente presente en todas las estrellas en rotación. Un miembro de la clase CFS es la inestabilidad en modo r descubierta por Nils Andersson, que se cree que limita la velocidad de rotación de las estrellas de neutrones. [26]
Trabajando con Toshifume Futamase, Schutz desarrolló una nueva forma de abordar lo que se llama el límite post-newtoniano de la relatividad general, en el que la relatividad general hace pequeñas correcciones a la gravedad newtoniana. El método Futamase-Schutz [27] está libre de las singularidades de masa puntual utilizadas en la mayoría de los otros enfoques de este problema y se basa en datos iniciales, por lo que es matemáticamente totalmente consistente y convergente. Luego lo utilizaron para demostrar rigurosamente que la “fórmula cuadrupolo” estándar para la emisión de ondas gravitacionales se aplica incluso si las fuentes están orbitando agujeros negros, lo que por supuesto no son pequeñas correcciones a los objetos newtonianos. [28]
En 1986, centrándose ahora más en la detección de ondas gravitacionales, Schutz demostró que las ondas gravitacionales emitidas por un sistema binario contienen información a partir de la cual es posible deducir la distancia a la fuente, algo que normalmente es muy difícil de hacer en astronomía. [29] Esta posibilidad surge de la naturaleza especial sin escala de la gravedad en la relatividad general. Dado que la información de la distancia está codificada en la evolución de fase de las ondas emitidas y en su polarización, para extraer esta información de los datos es necesaria una red de al menos tres detectores interferométricos de ondas gravitacionales. Estos sistemas fueron bautizados como "sirenas estándar" por Daniel Holz y Scott Hughes. [30] Conocer la distancia a la fuente es importante para extraer casi toda la información física que proviene de las observaciones de ondas gravitacionales de sistemas binarios fusionados: las masas y espines de los objetos componentes, medidas estadísticas de la tasa de tales eventos por unidad de volumen espacial. y estimaciones de cómo ha evolucionado la tasa de formación de tales sistemas a lo largo del tiempo desde el Big Bang.
Además de mostrar cómo medir distancias, en su artículo de 1986, Schutz mostró cómo una serie de detecciones de tales binarios podrían usarse para medir el valor de la constante H0 de Hubble, que representa la tasa de expansión del Universo. Mostró cómo esto sería posible incluso si los sistemas binarios emisores no pudieran identificarse individualmente mediante observaciones ópticas u otras observaciones astronómicas. Debido a la importancia del H0 y a la dificultad de medirlo con precisión con otros métodos astronómicos, esto se convirtió en una parte principal del argumento científico para construir LIGO y otros detectores, que se propusieron a finales de los años 1980. La primera medición de ondas gravitacionales de H0 se realizó finalmente en 2017 con los datos de GW170817 , la primera fusión detectada de dos estrellas de neutrones . A medida que las observaciones futuras de LIGO, Virgo y KAGRA acumulen más y más estadísticas, se espera que a largo plazo este método proporcione la forma más precisa de medir H0.
Schutz orientó la mayor parte de los esfuerzos de su grupo de investigación en Cardiff después de 1986 hacia el desarrollo de métodos de análisis de datos, no sólo para detectar fusiones de sistemas binarios, sino también para buscar estrellas de neutrones en rotación, un fondo cosmológico aleatorio de ondas gravitacionales y para señales inesperadas. En 1990, su grupo comenzó el análisis de datos de la "Carrera de 100 horas", que fue el primer ejercicio conjunto extendido de toma de datos entre dos interferómetros , los prototipos en Glasgow y Garching, Alemania. Esta ejecución y análisis de datos habían sido solicitados por los proveedores de financiación tanto del Reino Unido como de Alemania, como parte de su evaluación de la propuesta conjunta del Reino Unido y Alemania para la construcción de un interferómetro de ondas gravitacionales de 3 km en Alemania. Aunque la propuesta no fue financiada (en parte porque la reunificación alemana en 1990 obligó a desviar la financiación gubernamental de la ciencia pura a la reconstrucción de la antigua Alemania Oriental), el grupo de Schutz hizo el análisis de datos y estableció límites superiores a las posibles señales. [31] El ejercicio permitió al grupo crear las primeras versiones funcionales de algoritmos que todavía se encuentran en el corazón del análisis de datos LIGO-Virgo-KAGRA en la actualidad.
También a finales de los años 1980, Schutz comenzó a trabajar con Chris Clarke y John Stewart para desarrollar métodos para programar supercomputadoras para resolver las ecuaciones de Einstein, con el objetivo de estudiar las fusiones de agujeros negros binarios. Su estudiante de doctorado Gabrielle Allen y el postdoctorado Miguel Alcubierre se han establecido como expertos líderes en este campo.
En la década de 1990, Kostas Kokkotas y Schutz [32] descubrieron una nueva familia de modos de vibración de estrellas de neutrones que no existen en la gravedad newtoniana, en la que el campo gravitacional relativista alrededor de la estrella es el principal elemento dinámico. Apodados modos w, estos son análogos estelares de los modos de vibración casi normales de los agujeros negros.
Cuando se mudó a la AEI en 1995, Schutz pudo construir un grupo más grande en relatividad numérica , trayendo a Ed Seidel de NCSA en los EE. UU. para liderarlo. Dotado de sistemas informáticos internos de última generación, este grupo fue durante muchos años el mayor del mundo dedicado a la relatividad numérica y realizó contribuciones fundamentales que subyacen a gran parte del software actual en este campo. En particular, el Einstein Toolkit abierto tiene sus raíces en el software creado en la AEI en este período. El propio Schutz se centró más en prepararse para el análisis de datos de ondas gravitacionales. Ayudó a desarrollar la estadística F, [33] que es la medida estadística frecuentista óptima de la importancia de una posible detección de una señal casi periódica de una estrella de neutrones en rotación. Trabajando con M.-A. Papa y otros colaboradores, [34] Schutz ayudó a desarrollar la técnica de Transformada de Hough para búsquedas jerárquicas eficientes de tales señales en tramos de datos de meses de duración, un método que sigue siendo una herramienta clave para el análisis LIGO-Virgo-KAGRA.
Academias:
Medallas y otros premios de sociedades:
Premios junto con otros miembros de la colaboración del detector de ondas gravitacionales: