Ondas Gravitacionais

Um grupo de cientistas de diversos países conseguiu comprovar a existência das ondas gravitacionais previstas por Albert Einstein na teoria da Relatividade.

As ondas gravitacionais* são distorções ou ‘ondulações’ no tecido do espaço-tempo causada por alguns dos processos mais violentos e energéticos no Universo. Albert Einstein previu a existência de ondas gravitacionais em 1916 em sua teoria da relatividade geral. Tal teoria afirma que a massa distorce o espaço e o tempo da mesma forma que uma bola de boliche pesada irá distorcer um trampolim.

* Não deve ser confundida com uma onda de gravidade (que é uma onda impulsionada pela força da gravidade).

Colisão de estrela de nêutrons depois de um inspiral*. (Crédito: NASA / Swift / Dana Berry)

Einstein mostrou que os objetos maciços acelerando (tais como estrelas de nêutrons ou buracos negros que orbitam entre si) iriam perturbar o espaço-tempo, de tal forma que “ondas” de espaço distorcido iriam irradiar a partir da fonte. Além disso, essas ondulações viajariam à velocidade da luz através do universo, levando consigo informações sobre suas origens cataclísmicos, bem como pistas inestimáveis ​​à natureza da própria gravidade.

As fortes ondas gravitacionais são produzidas por eventos catastróficos tais como a colisão de buracos negros, o colapso dos núcleos estelares (supernovas), união de estrelas de nêutrons ou pequenas estrelas brancas, a rotação levemente oscilante de estrelas de nêutrons que não são esferas perfeitas, e os restos de radiação gravitacional criado pelo nascimento do próprio Universo.

Embora a existência das ondas gravitacionais tenha sido prevista em 1916, a prova real dessa subsistência não chegaria até 1974, 20 anos após a morte de Einstein. Nesse ano, dois astrônomos que trabalhavam no Observatório de Arecibo, em Porto Rico descobriram um pulsar binário – duas estrelas extremamente densas e pesadas em órbita em torno de si. Este foi exatamente o tipo de sistema que, de acordo com a relatividade geral, deve irradiar ondas gravitacionais. Sabendo que esta descoberta poderia ser usada para finalmente testar a previsão de Einstein, os astrônomos começaram a medir como o período das órbitas das estrelas mudou ao longo do tempo. Depois de oito anos de observações, foi determinado que as estrelas estavam se aproximando umas das outras, precisamente a taxa prevista pela relatividade geral. Este sistema já foi monitorado por mais de 40 anos e as mudanças observadas na órbita concordam muito bem com a relatividade geral, não há dúvida de que ele está emitindo ondas gravitacionais.

Desde então, mais astrônomos têm estudado o tempo de emissões de rádio pulsar e encontraram efeitos semelhantes, confirmando ainda mais a existência de ondas gravitacionais. Mas essas confirmações vieram indiretamente e matematicamente e não através do contato real “físico”. LIGO e outras instituições, como ele ao redor do mundo será o primeiro a ‘sentir’ ondas gravitacionais.

Apesar de suas origens pode ser extremamente violenta, no momento em que as ondas gravitacionais atingem a Terra são milhões de vezes mais pequenas e menos destrutivas. Na verdade, no momento em que as ondas gravitacionais chegam aos detectores do LIGO, a quantidade de movimento do espaço-tempo gerado é milhares de vezes menor do que um núcleo atômico. Esta pequena medição é o que o LIGO e outros interferômetros como ele ao redor do mundo são projetados para fazer.

POR QUE DETECTÁ-LAS?

As ondas gravitacionais que são detectáveis ​​por LIGO será causada por alguns dos eventos mais energéticos dos buracos negros do Universo colidindo, estrelas explodindo, e até mesmo o nascimento do próprio Universo. A detecção e análise da informação transportada por ondas gravitacionais nos permitirá observar o universo de uma forma nunca antes possível. Isto irá abrir uma nova janela de estudo sobre o universo, dando-nos uma compreensão mais profunda desses eventos cataclísmicos, e inaugurar a nova marca estudos de ponta em física, astronomia e astrofísica.

Historicamente, os cientistas se basearam principalmente em observações com radiação eletromagnética (luz visível, ondas de rádio, micro-ondas, etc. raios-x) para aprender e entender os objetos e fenômenos no Universo. (Nos últimos anos, as partículas subatômicas chamadas neutrinos também têm sido utilizados para estudar os aspectos dos céus.) Cada uma destas fontes de informação fornece aos cientistas uma visão diferente e complementar do Universo, com novas descobertas que ocorrem à medida que cada nova “janela” tem sido descoberta, introduzida e utilizada.

Ondas gravitacionais não são radiações eletromagnéticas. Elas são fenômenos completamente diferentes, levando informações sobre objetos cósmicos e eventos que não sejam realizados por radiação eletromagnética. Colisão de buracos negros, por exemplo, emitem pouca ou nenhuma radiação eletromagnética, mas as ondas gravitacionais que eles emitem fará com que eles “brilhem” como faróis num mar cósmico totalmente escuro. Porém, o mais importante é que as ondas gravitacionais não interagem com a matéria (ao contrário de radiação eletromagnética), por isso elas viajam através do universo completamente desimpedidas dando-nos uma visão cristalina da onda gravitacional do Universo.

Elas vão levar informações sobre suas origens, que são livres da distorção ou alteração sofrida pela radiação eletromagnética enquanto viajam através de milhões de anos-luz do espaço intergaláctico. Com esta forma completamente nova de examinar objetos astrofísicos e fenômenos, as ondas gravitacionais vão realmente abrir uma nova janela sobre o Universo, fornecendo aos astrônomos e aos outros cientistas suas primeiras suposições de coisas inéditas e invisíveis, além de contribuir significativamente para a nossa compreensão da natureza, do espaço e do próprio tempo.

COMO FORAM DETECTADAS?

Há anos os cientistas vêm tentando detectar as minúsculas distorções causadas no momento em que as ondas gravitacionais passam pela Terra. Existem detectores nos Estados Unidos – localizados no LIGO – e outros na Itália (conhecido como Virgo) e ambos deles são formados por dois túneis idênticos em forma de L, de 3 km de largura.

O feixe de laser gerado neles é separado em dois – uma metade é lançada num túnel, e a outra vai para a segunda passagem.

No final dos dois túneis os espelhos ao final dos dois rebatem os feixes para lá e para cá várias vezes, antes de se religarem. Caso uma onda passe pelo túnel, ela distorcerá levemente sua adjacência, alterando de forma reduzida a longitude dos túneis (apenas uma fração da largura de um átomo).

Um raio laser viajará a uma distância um pouco maior, já o outro fará uma viagem mais curta, pois um túnel se estende e outro se retrai indicando a forma como as ondas se movem pelo espaço.

De agora em diante os físicos olharão para os objetos com as ondas eletromagnéticas e irão escutá-los com as gravitacionais.

Segundo Alicia Sintes, do departamento de física do Instituto de Estudos Espaciais da Catalunha, na Espanha, temos sentidos diferentes e complementares para estudar as mesmas fontes, permitindo maior obtenção de informações.