Como a confirmação das ondas gravitacionais ajuda a compreender o universo?

A primeira observação da colisão e fusão de um par de buracos negros foi observada em 14 de setembro de 2015 pelos dois detectores do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser (Ligo, na sigla em inglês), marcando o começo de uma nova era em astronomia e abrindo uma nova janela de observação do universo sob a forma de ondas gravitacionais.

As ondas gravitacionais são oscilações do espaço-tempo causadas por alguns dos fenômenos mais violentos do cosmos, como colisões e fusões de estrelas massivas compactas, cuja existência foi prevista por Einstein em 1916, quando ele mostrou que objetos massivos acelerados distorciam o espaço-tempo causando a irradiação de ondas na forma de radiação gravitacional. Essas oscilações viajam à velocidade da luz através do universo, levando informações sobre suas origens, ou sobre a natureza da gravidade.

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Leia proposta de trabalho em sala de aula baseada no tema:

Competência: Apropriar-se de conhecimentos da física para, em situações problema, interpretar intervenções científico-tecnológicas.

Habilidades:

– Caracterizar causas ou efeitos dos movimentos de objetos ou corpos celestes;

– Utilizar leis físicas para interpretar processos naturais;

– Compreender fenômenos decorrentes da interação entre a matéria em suas manifestações em processos naturais.[bs_citem title=”” id=”citem_5422-8f97″ parent=”collapse_e98f-4f2c”]

Atividade:

Por meio de uma analogia, convide os alunos a considerarem o espaço-tempo como um lençol de borracha. Estenda um lençol de borracha em plano horizontal, segurando-o nas pontas. Coloque uma bola bem pesada sobre o lençol: certamente, os alunos perceberão que ele vai mudar de forma e adquirir uma curvatura.

Coloque algumas bolinhas em pontos diferentes do lençol: elas estarão “atraídas” pela bola de maior massa. Proponha que os alunos joguem as bolinhas em diferentes direções. Os alunos poderão observar que as bolinhas não percorrerão uma linha reta e sim uma trajetória em espiral ao encontro da massa mais pesada.

Ao realizar o experimento, não conseguimos observar “órbitas circulares” das bolinhas em torno da bola maior por causa do atrito. A espiral que as bolinhas fazem caindo na curvatura criada pela grande massa é representativa da trajetória seguida de um corpo que está perdendo energia, seja por atrito ou por emissão das ondas.

Agora deixamos cair mais algumas bolas sobre o lençol. O empate vai gerar ondulações no lençol que se propagarão com uma velocidade que depende só do tecido. A analogia com o lençol tem seu limite: o lençol é um objeto de duas dimensões (desprezando a espessura), mergulhado em um espaço de três dimensões; o espaço-tempo, por outro lado, não admite dimensão alguma fora dele mesmo.

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Nas últimas décadas, os astrônomos têm acumulado fortes evidências de que as ondas gravitacionais existem, principalmente por estudar seu efeito em órbitas próximas de pares de estrelas de nêutrons em nossa galáxia.

No mesmo ano em que Einstein previu a existência das ondas gravitacionais, o físico Karl Schwarzschild mostrou que o trabalho de Einstein falou também sobre a existência de buracos negros, objetos estranhos tão densos e compactos que nem mesmo a luz poderia escapar de sua atração gravitacional.

Embora não possamos “ver” um buraco negro, astrônomos reuniram evidências de sua existência, estudando os efeitos de candidatos a buracos negros na área circundante a eles. Por exemplo, acredita-se que a maioria das galáxias, incluindo a Via Láctea, contém um buraco negro supermassivo no seu centro – com massa de milhões ou até bilhões de vezes maior que a do Sol. Também existem evidências de buracos negros com massas muito menores (de até uma dúzia de vezes a massa do Sol), restos de estrelas mortas que sofreram uma explosão cataclísmica chamada de colapso do núcleo supernova.

O Ligo é o maior observatório de ondas gravitacionais e nele foi realizado um dos mais sofisticados experimentos de física do mundo. Composto por dois grandes interferômetros a laser localizado a 3 mil km de quilômetros de distância, um em Livingston, Louisiana, e outro em Hanford, no estado americano de Washington, o Ligo utiliza as propriedades físicas da luz e do espaço para detectar ondas gravitacionais.

Os interferômetros, como os do Ligo, consistem de dois braços de 4 km perpendiculares em que um feixe de laser é enviado e refletido pelos espelhos no final dos braços. Quando uma onda gravitacional passa pelo feixe, a ampliação e o encolhimento do espaço fazem com que os braços do interferômetro se alonguem e encolham alternadamente, um fica menor enquanto o outro fica maior e vice-versa. Como os braços alteram de comprimento, os feixes de laser viajam distâncias diferentes através dos braços, e é produzido o que chamamos de padrão de interferência. É por causa disso que nos referimos aos detectores LIGO como “interferômetros”.

A diferença entre o comprimento dos dois braços é proporcional à intensidade da onda gravitacional que está passando, chamada de amplitude de deformação da onda gravitacional, sendo essa amplitude extremamente pequena.

A comparação dos dados de amplitude com as previsões teóricas permite testar que a relatividade geral é a teoria correta para descrever o evento e estimar características físicas específicas do evento GW150914, ou seja, a onda gravitacional detectada em 15 de setembro de 2014. O fenômeno aconteceu a uma distância de mais de 1 bilhão de anos-luz da Terra, e os dois buracos negros se fusionando têm massas de aproximadamente 36 e 29 vezes a massa do Sol, sendo que o buraco negro remanescente teria uma massa ao redor de 62 vezes a do Sol – a junção converteu aproximadamente três vezes a massa do Sol em energia na forma de ondas gravitacionais, a maioria emitida em uma fração de segundo. Além disso, conclui-se que o buraco negro remanescente está girando – a teoria de 1963 do matemático Roy Kerr já tratava da rotação de buracos negros.

Desde a evolução da frequência do sinal, pode-se deduzir que os dois componentes estiveram separados por algumas poucas centenas de quilômetros imediatamente antes de se fundirem, ou seja, quando a frequência da onda gravitacional era de aproximadamente 150 Hz.

Os projetos futuros incluem melhorias nos detectores Ligo avançados, e a extensão da rede global de detectores para incluir o Virgo Avançado, o Kagra, e um possível terceiro detector Ligo na Índia, o que tende a melhorar significativamente a nossa capacidade de localizar posições de fontes de ondas gravitacionais no céu e estimar suas propriedade físicas. Parece, então, que o novo campo da astronomia de ondas gravitacionais tem um futuro brilhante pela frente.

Saiba mais:

Colaboração Científica Ligo

Virgo Avançado

Ligo Open Science Center, com informações sobre o GW150914

Sobre a tecnologia do Ligo Avançado

*Riccardo Sturani é pesquisador do Instituto de Física Teórica da UNESP e do International Center for Theoretical Physics – South American Institute for Fundamental Research (ICTP-SAIFR), uma parceria entre Unesp e Fapesp