Ondas gravitacionais e como elas distorcem o espaço

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Isso não é uma minhoca espacial. É o que uma onda gravitacional faz com o espaço de acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein.

Artigo traduzido de Universe Today. Autor: Markus Pössel.

É oficial: amanhã, 11 de fevereiro, 10:30 EST, haverá uma grande conferência de imprensa sobre ondas gravitacionais feita pelas pessoas que trabalham com o detector de ondas gravitacionais LIGO. Uma boa aposta é que eles vão anunciar a primeira detecção direta das ondas gravitacionais, previstas por Albert Einstein há 100 anos. Se tudo correr como os cientistas esperam, este será o pontapé inicial para uma era da astronomia de ondas gravitacionais: aprender sobre alguns dos eventos mais extremos e violentos no cosmo medindo as pequenas ondulações de distorções espaciais que emanam deles.

Tá na hora de revisar seu conhecimento sobre ondas gravitacionais! Aqui está uma visualização para ajudá-lo – e vamos passo a passo para ver o que isso significa:

O espaço-tempo distorcido de Einstein

Nas palavras do eminente relativista John Wheeler, a teoria da relatividade geral de Einstein pode ser resumida em duas declarações: a matéria diz ao espaço e ao tempo como se curvar. E o espaço e o tempo (curvos) dizem à matéria como se mover (aqui está uma versão estendida do Einstein OnLine).

Einstein publicou a forma definitiva de sua teoria em novembro de 1915. Na primavera de 1916, ele percebeu outra consequência da distorçer o espaço e o tempo: a relatividade geral permite ondas gravitacionais, distorções rítmicas que se propagam através do espaço na velocidade da luz.

Por algum tempo, os físicos não tinham certeza se essas ondas gravitacionais eram reais ou um artefato matemático dentro da teoria de Einstein (para saber mais sobre esta controvérsia, veja o livro de Daniel Kennefick “Traveling at the Speed of Thought” e este artigo). Mas desde os anos 1980, tem havido evidências indiretas para estas ondas (que agraciaram seus descobridores com um prêmio Nobel em 1993).

Ondas gravitacionais são emitidas por corpos em órbita e determinadas outras massas aceleradas. Neste momento, as principais iniciativas internacionais estão tentando detectar ondas gravitacionais diretamente. Assim que a detecção for possível, os cientistas esperam usar essas ondas gravitacionais para “ouvir” alguns dos processos mais violentos do universo: a fusão de buracos negros e/ou estrelas de nêutrons, ou a região central das explosões de supernovas.

Assim como a astronomia usa luz e outras formas de radiação eletromagnética para aprender sobre objetos distantes, a astronomia de ondas gravitacionais vai decifrar a informação contida dentro das ondas gravitacionais. E se você der ouvido aos rumores recentes, a astronomia de ondas gravitacionais já teve início em meados de setembro de 2015.

O que as ondas gravitacionais fazem?

Mas o que as ondas gravitacionais fazem? Para isso, vamos olhar para uma situação simplificada, totalmente hipotética (as imagens e animações a seguir são variações do material original publicado no Einstein Online). Considere partículas à deriva no espaço, longe de quaisquer fontes de gravidade. Imagine que as partículas (em vermelho) estão dispostas em um círculo ao redor de um centro (em preto):

Se uma onda gravitacional simples passar por esta imagem, em direção ao leitor, as distâncias entre essas partículas mudaria ritmicamente como se segue:

Observe o padrão característico: quando o círculo é esticado no sentido vertical, é comprimido na direção horizontal, e vice-versa. Isso é típico das ondas gravitacionais (“distorção quadrupolar”).

É importante ter em mente que esta animação, e as que se seguirão, exagera o efeito das ondas gravitacionais consideravelmente. As ondas gravitacionais, tais como os detectores do Aligo, que poderão ser medidas, são muito muito mais fracas. Se nosso círculo hipotético de partículas fosse tão grande como a órbita da Terra em torno do Sol, uma onda gravitacional realista iria distorcê-lo menos que o diâmetro de um átomo de hidrogênio.

Ondas gravitacionais que se deslocam através do espaço

A animação acima mostra o que poderia ser chamado de “oscilação gravitacional”. Para ver toda a onda, é preciso considerar a terceira dimensão.

Falamos sobre uma onda quando oscilações se propagam através do espaço. Considere uma onda de água: em cada ponto da superfície temos uma oscilação, com a superfície subindo e descendo ritmicamente. Mas é apenas o fato dessa oscilação se propagar, e de que podemos ver uma crista movendo-se sobre a superfície, que a torna uma onda.

É o mesmo com as ondas gravitacionais. Para vê-las, vamos olhar não para um único círculo de partículas flutuando livremente, mas muitos desses círculos, empilhados um atrás do outro, formando a superfície de um cilindro:

Nesta imagem, é difícil ver quais os pontos estão na frente e quais estão na parte de trás. Vamos juntar cada partícula aos seus vizinhos mais próximos com uma linha azul, e vamos também preencher a área entre as linhas. Dessa forma, a geometria é muito mais óbvia:

Basta lembrar que nem as linhas nem a superfície esbranquiçada são algo físico. Pelo contrário, se queremos que as partículas sejam maximamente suscetíveis ao efeito da onda gravitacional, devemos ter certeza de que elas estão realmente flutuando livremente, e, certamente, elas não devem estar ligadas de alguma forma!

Agora, vamos ver o que a mesma onda gravitacional que vimos anteriormente faz a este conjunto de partículas. A partir desta perspectiva, a onda está passando do lado direito na parte de trás para o lado esquerdo na frente:

Como você pode ver, a onda se propaga através do espaço. Por exemplo, o ponto em que as distâncias verticais dentro do círculo de partículas é máximo, está se movendo para o observador. A natureza da onda pode ser vista ainda mais claramente se olharmos para este cilindro de lado:

O que as animações mostram é apenas um tipo de onda gravitacional simples (“polarização linear”). Esse aqui é um outro tipo (“polarização circular”):

Isso, então, é o que os caçadores de ondas gravitacionais estão procurando. Exceto que eles não possuem partículas flutuantes no espaço livre. Em vez disso, seus detectores contêm massas de teste (espelhos gigantescos) elaboradas suspensas aqui na Terra, com luz laser para detectar as pequenas mudanças de distância causadas por ondas gravitacionais.

Sinais de ondas gravitacionais mais realistas, que contêm informações sobre a fusão de buracos negros ou o movimento da massa da matéria dentro de uma explosão de supernova, são ainda mais complicadas. Elas combinam muitas ondas simples de diferentes frequências, e a força de tais ondas (sua amplitude) mudam ao longo do tempo de uma forma característica.

Nestas animações, as ondas gravitacionais parecem um pouco com minhocas espaciais se movimentando. Mas essas minhocas espaciais podem se tornar as melhores amigas dos astrônomos, levando informações difíceis ou mesmo impossíveis de obter em qualquer outra maneira sobre o cosmos.

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