Bernard F. Schutz FInstP FLSW (nacido el 11 de agosto de 1946 en Paterson, Nueva Jersey ) [1] es un físico estadounidense y naturalizado británico . Es muy conocido por su investigación 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 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 fundador e investigador principal de la colaboración de ondas gravitacionales GEO , que se convirtió en parte de la Colaboración Científica LIGO (LSC). Schutz también fue uno de los iniciadores de la propuesta para el detector de ondas gravitacionales espacial 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 1998 comenzó a publicar desde el AEI la revista de revisión de acceso abierto (OA) en línea Living Reviews in Relativity , que durante muchos años ha sido la revista de OA de mayor impacto en el mundo, según las mediciones de 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 American Physical Society (APS), y fue galardonado con un DSc 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 la Bethpage High School en Long Island, NY, de 1960 a 1964, y luego estudió física en la Clarkson University en Potsdam , NY (en ese momento llamada Clarkson College of Technology). Terminó su licenciatura en tres años y continuó sus estudios de posgrado en física en el California Institute of Technology en Pasadena, CA. Al año siguiente se unió al grupo de investigación de Kip Thorne , terminando su doctorado en 1971 sobre la teoría de fluidos en la relatividad general. Una beca de la National Science Foundation 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 Yale University , en el grupo de James Bardeen , donde comenzó una fructífera colaboración con su compañero postdoctoral John Friedman. [5]
En 1974, Schutz aceptó un puesto como profesor en la Universidad de Cardiff en Gales (en aquel entonces llamada University College Cardiff), uniéndose al grupo de astronomía recién creado en el departamento de Matemáticas Aplicadas, presidido por Chandra Wickramasinghe . Schutz creó un gran grupo de investigación que estudiaba las estrellas relativistas y la dinámica. Como resultado de sus responsabilidades docentes, escribió dos libros de texto bien recibidos, Métodos geométricos de física matemática y Un primer curso de relatividad general (véase la bibliografía). Schutz se convirtió en profesor titular en 1986, aproximadamente al mismo tiempo que 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 de Gregynog, celebrados en el centro de conferencias de Gregynog en el centro de Gales [6] . Estas reuniones se convirtieron en una forma popular para los especialistas en relatividad del Reino Unido y del mundo entero de mantener debates informales centrados en problemas de investigación clave. En 1986 y 1987, Schutz organizó dos reuniones internacionales en Cardiff que tenían como objetivo mejorar la coordinación y el intercambio de datos entre los proyectos de detectores de ondas gravitacionales. La segunda fue patrocinada por la OTAN , y editó sus actas publicadas, Análisis de datos de ondas gravitacionales. 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 Física de Partículas y Astronomía (PPARC), 1994-95.
En 1995, Schutz se trasladó a Alemania para unirse a Jürgen Ehlers en la fundación del Instituto Max Planck de Física Gravitacional, conocido comúnmente como el Instituto Albert Einstein (AEI). Este fue establecido en Potsdam , Alemania, por la Sociedad Max Planck (MPS) como parte de su esfuerzo por expandir la investigación científica a áreas de la antigua Alemania del Este, luego de la reunificación alemana en 1990. Ehlers dirigió el trabajo en relatividad general matemática y Schutz se centró en la relatividad astrofísica , incluidas simulaciones numéricas de agujeros negros y estudios teóricos que respaldan los detectores de ondas gravitacionales. [7] Con la generosa financiación del MPS, el instituto se expandió rápidamente, añadiendo un tercer Director ( Hermann Nicolai , para gravedad cuántica ) en 1997. Después de que Ehlers se jubilara a finales de 1998, Schutz se convirtió en Director General y supervisó el establecimiento de una segunda sucursal del AEI en Hannover en 2002. [8] Esta sucursal, 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 GEO600 y LIGO como para la misión de demostración de tecnología LISA-Pathfinder basada en el espacio , la misión del detector 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 y Cosmología Observacionales. [10]
Después de 1995, Schutz formó parte de varios comités de la Agencia Espacial Europea, entre ellos, presidió su Grupo Asesor de Física Fundamental entre 2004 y 2008. Formó parte del Comité Ejecutivo del LSC desde 2003 hasta 2019.
Schutz es conocido por su defensa de la publicación científica de acceso abierto. En el AEI, Schutz fundó y en 1998 comenzó a publicar la revista de revisión de acceso abierto solo en línea Living Reviews in Relativity . [11] Era única en el sentido de que sus artículos de revisión eran actualizados periódicamente por sus autores. 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, constantemente entre las 100 mejores del mundo. [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 de acceso abierto publicada por la APS , Physical Review X , desde su creación en 2011 hasta 2018. [13] Actualmente es miembro del consejo editorial de Proceedings of the National Academy of Sciences. [14]
El concepto 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 de Acceso Abierto de Berlín en sedes de todo el mundo. Fue anfitrión de la cuarta en el AEI. [16] Por sus contribuciones a la expansión del Acceso Abierto, recibió el Premio Communitas de la Sociedad Max Planck en 2013. [17]
Schutz siempre ha mostrado un gran interés por la divulgación y la educación científica. Su libro Gravity from the Ground Up [18] ofrece a estudiantes avanzados de secundaria y universitarios una introducción intuitiva a la gravedad moderna utilizando únicamente el álgebra, evitando así las abrumadoras matemáticas de la relatividad general. Junto con Milde Science Communications, Schutz desarrolló el sitio web Scienceface [19] , que ofrece entrevistas originales y videos cortos de científicos que trabajan en agujeros negros y ondas gravitacionales. Nuevamente con la ayuda de Milde Science Communications y también de Exozet Potsdam, Schutz desarrolló una conferencia popular multimedia sobre ondas gravitacionales llamada Music of the Spheres, que presentó en muchos lugares alrededor del mundo, hasta la primera detección en 2015. [20]
En 2014, Schutz se retiró del 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 establecer y luego convertirse en el primer director del Data Innovation Research Institute, que ayuda a los grupos de investigación de la universidad que se ocupan de cuestiones relacionadas con los macrodatos. [21] Después de dejar este puesto, Schutz regresó a la investigación y la docencia 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 escalares,[1] un enfoque que desde entonces ha tenido muchas aplicaciones en la teoría de campos y la cosmología. Utilizó esta reformulación en su tesis para desarrollar un marco para estudiar la pulsación y la estabilidad de las estrellas en la relatividad general.
Este trabajo temprano condujo, en colaboración con John Friedman durante la década de 1970, a la elucidación de la inesperada inestabilidad impulsada por ondas gravitacionales de las estrellas en rotación, observada por primera vez por Chandrasekhar en el modelo simple de estrellas de densidad uniforme. [24] [25] En lo que ahora se llama inestabilidad de 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 amortiguada lo suficientemente fuertemente por algún otro efecto, como la viscosidad. Es una inestabilidad genérica, potencialmente presente en todas las estrellas en rotación. Un miembro de la clase CFS es la inestabilidad del modo r descubierta por Nils Andersson, que se cree que limita la tasa de rotación de las estrellas de neutrones. [26]
En colaboración con Toshifume Futamase, Schutz desarrolló una nueva forma de abordar lo que se denomina el límite post-newtoniano de la relatividad general, en el que la relatividad general realiza 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 demás 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 cuadripolar” estándar para la emisión de ondas gravitacionales se aplica incluso si las fuentes están orbitando agujeros negros, que por supuesto no son pequeñas correcciones a los objetos newtonianos. [28]
En 1986, centrándose más en la detección de ondas gravitacionales, Schutz demostró que las ondas gravitacionales emitidas por un sistema binario contienen información de la que 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 de la gravedad, libre de escala, en la relatividad general. Debido a que la información de la distancia está codificada en la evolución de fase de las ondas emitidas y en su polarización, es necesaria una red de al menos tres detectores de ondas gravitacionales interferométricos para extraer esta información de los datos. 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 en fusión: las masas y los espines de los objetos componentes, medidas estadísticas de la tasa de tales eventos por unidad de volumen espacial y estimaciones de cómo la tasa de formación de tales sistemas ha evolucionado con el 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 sistemas binarios podrían usarse para medir el valor de la Constante de Hubble H0, 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 de H0 y a la dificultad de medirlo con precisión con otros métodos astronómicos, esto se convirtió en una parte principal del caso científico para la construcción de LIGO y otros detectores, que se propusieron a fines de la década de 1980. La primera medición de ondas gravitacionales de H0 finalmente se realizó en 2017 con los datos de GW170817 , la primera fusión detectada de dos estrellas de neutrones . A medida que las futuras observaciones de LIGO, Virgo y KAGRA acumulen más y más estadísticas, se espera que este método a largo plazo proporcione la forma más precisa de medir H0.
Schutz orientó la mayor parte del esfuerzo de su grupo de investigación en Cardiff después de 1986 al desarrollo de métodos de análisis de datos, no sólo para detectar fusiones de sistemas binarios, sino también para buscar estrellas de neutrones giratorias, un fondo cosmológico aleatorio de ondas gravitacionales y señales inesperadas. En 1990 su grupo comenzó el análisis de datos de la “100-Hour Run”, que fue el primer ejercicio conjunto extendido de toma de datos entre dos interferómetros , los prototipos en Glasgow y en 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 un interferómetro de ondas gravitacionales de 3 km que se construiría en Alemania. Aunque la propuesta no fue financiada (en parte porque la reunificación alemana en 1990 obligó a una redirección de la financiación gubernamental desde la ciencia pura hacia la reconstrucción de la antigua Alemania del Este), el grupo de Schutz realizó el análisis de datos y estableció límites superiores a las posibles señales. [31] El ejercicio permitió al grupo crear las primeras versiones funcionales de los algoritmos que todavía hoy son la base del análisis de datos de LIGO-Virgo-KAGRA.
También a finales de los años 1980, Schutz empezó a trabajar con Chris Clarke y John Stewart para desarrollar métodos de programación de supercomputadoras que resolvieran las ecuaciones de Einstein, con el objetivo de estudiar las fusiones de agujeros negros binarios. Su estudiante de doctorado Gabrielle Allen y su investigador postdoctoral Miguel Alcubierre se han consolidado 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 gravitatorio relativista alrededor de la estrella es el principal elemento dinámico. Se denominan modos w y son análogos estelares de los modos de vibración cuasinormales de los agujeros negros.
Cuando se trasladó al AEI en 1995, Schutz pudo crear un grupo más grande en relatividad numérica , trayendo a Ed Seidel de NCSA en los EE. UU. para dirigirlo. Provisto de sistemas informáticos internos de vanguardia, este grupo fue durante muchos años el más grande del mundo dedicado a la relatividad numérica, e hizo contribuciones fundamentales que sustentan gran parte del software actual en este campo. En particular, el Einstein Toolkit abierto tiene raíces en el software creado en el AEI en este período. El propio Schutz se centró más en la preparación 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 giratoria. Trabajando con M.-A. Papa y otros colaboradores, [34] Schutz ayudó a desarrollar la técnica de la 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: