Essa teoria é um pilar da física moderna que transformou nosso entendimento do espaço, do tempo e da gravidade. E por meio delas entendemos muitas coisas: da expansão do Universo até o movimento dos planetas e a existência dos buracos negros.
Albert Einstein previu a existência de ondas gravitacionais - as de que os grandes choques e as grandes explosões do Universo as cria-se e produze sons. Sem a ajuda de instrumentos sofisticados. O Gênio.
Ele descobriu que as equações linearizadas de campo fraco tinha soluções de onda: ondas transversais de tensão espacial que viajam á velocidade da luz, gerado por variações de tempo do momento da fonte de quadrupolo de massas. Einstein compreendeu que amplitudes de ondas gravitacionais seriam extremamente pequenas.
As ondas gravitacionais são produzidas por massas em movimento, e, como ondas eletromagnéticas, elas viajam à velocidade da luz. Como elas viajam, as ondas esmagam e esticam o espaço-tempo no plano perpendicular à sua direção de propagação.
Basicamente são feixes de energia que distorcem o tecido do espaço-tempo, o conjunto de quatro dimensões formado por tempo e espaço tridimensional.
Assim, qualquer massa em movimento produz ondulações nesse tecido tempo-espaço. Até nós mesmos.
E Einstein previu que o nosso Universo estava inundado por essas ondas. Esse efeito, no entanto, é muito fraco, e apenas grandes massas, movendo-se sob fortes acelerações, podem produzir essas ondulações em grau razoável. Assim, quanto maior a massa, maior é o movimento e maior são as ondas. Nessa categoria entram explosões de estrelas mortas super-densas e a junção de buracos negros. Todos esses eventos devem radiar energia gravitacional na velocidade da luz.
As experiências para detectar ondas gravitacionais começaram com Weber e seus detectores de massa ressonante na década de 60, seguida por uma rede internacional de detectores de ressonância criogênica. Detectores de interferometria foram surgir pela primeira vez no início dos anos 60 e 70.
Detectá-las, no entanto, é extremamente difícil, porque elas induzem distorções muito pequenas: mesmo as ondas gravitacionais mais fortes de eventos astrofísicos são esperados para apenas produzir variações de comprimento relativas de ordem.
Uma descoberta histórica que abre uma nova era de compreensão do cosmo, a observação de ondas gravitacionais de uma fusão de um binário buraco negro
Em 2015, Advanced LIGO patrocinado pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA, tornou-se em primeiro lugar a significativamente mais sensível rede de detectores avançados para iniciar observações, em 14 de setembro, dentro dos dois primeiros dias de operação do Avançado LIGO, os pesquisadores detectaram um sinal tão forte que podia ser visto a olho nu. A parte mais intensa do sinal durou durante cerca de 0,2 s e não foi observada em ambos detectores, com um índice combinado do sinal de ruído para 24.
Adequadamente, este primeiro sinal de onda gravitacional, apelidado GW150914, chegou menos de dois meses antes do centenário aniversário da publicação da teoria geral da relatividade de Einstein.
Foi estabelecido o curso para uma nova era de astrofísica observacional. Uma oportunidade dada ao ser humano para entender o Universo e ate mesmo a própria presença.
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| C.Henze / NASA Ames Research Center As simulações numéricas das ondas gravitacionais emitidas pelo inspiral e fusão de dois buracos negros. Os contornos coloridos em torno de cada buraco negro representam a amplitude da radiação gravitacional; as linhas azuis representam as órbitas dos buracos negros e as setas verdes representam seus spins. |
Durante décadas os cientistas esperavam ''ouvir'' em eventos astrofísicos violentos a detecção de emissão de ondas gravitacionais.
As ondas, que podem ser descritas como oscilantes distorções na geometria do espaço-tempo, foram pela primeira vez previstas por Einstein há 100 anos atrás, mas elas nunca foram observadas diretamente. Agora, em um papel extraordinário, os cientistas relatam que eles tenham detectado as ondas no LIGO (Observatório da Interferometria a Laser a Laser de Ondas Gravitacionais) a partir de uma análise do sinal, pesquisadores do LIGO no EUA e seus colaboradores Interferômetro Virgo na Itália, inferir que as ondas gravitacionais foram produzidas pelo inspiral e fusão de dois buracos negros (primeira figura) cada um com uma massa que é mais de 25 vezes maior do que a do nosso Sol.
A descoberta fornece a primeira evidência observacional de que os sistemas binários de buracos negros podem se formar e se fundem no Universo.
A LIGO anunciou ontem (11/02/2016) que seus cientistas captaram as ondas produzidas por uma colisão gigantesca (conseguiram 'ouvir') de dois buracos negros, o choque aconteceu há 1,3 bilhão de anos. Os pesquisadores também disseram que na época cerca de três vezes a massa do Sol foi convertida em energia, tudo isso em uma fração de segundo. Um processo perfeitamente descrito na equação mais famosa do mundo: E=mc²(energia é igual a massa vezes velocidade da luz ao quadrado).
A primeira detecção que confirma a Teoria de Einstein. Os primeiros sons de buracos negros.
As ondas gravitacionais são um sinal que vem desses objetos e carrega informações sobre eles.
Nesse sentido, pode-se até dizer que a recente descoberta significa a primeira detecção direta dos buracos negros.
O anúncio ocorreu em uma entrevista coletiva em Washington transmitida via Stream, o relatório da descoberta, escrito por mais de 1000 autores, incluindo cientistas europeus, foi publicado pela Physical Review Letters, segundo nota em Caltech, uma das instituições que operam o laboratório.
De acordo com as informações dada aos jornalistas, estas ondas gravitacionais (com 50 vezes mais energia que todas as estrelas do Universo) fizeram vibrar as antenas do LIGO montadas em Washington e Louisiana.
Eis a gravação que a LIGO fez do som produzido pelos dois buracos negros a colidirem: https://soundcloud.com/tashrb/ligo-sound-1135136350-dur-5-hp-20-lp-400-su-1p0-fs-400
Kip Throne (um dos cientistas mais envolvidos) conta ao The New York Times que até agora o tecido espaço-tempo ''nunca tinha sido visto em pertubação'': seria o mesmo que nenhum de nós ter visto o mar revolto ou num dia de tempestade. Quando os dois buracos negros colidiram, o ''fluxo de tempo acelerou, depois abrandou e depois voltou a acelerar''.
Nas palavras de Alicia Sintes, física da Universidade das Ilhas Baleares (UIB) e líder do único grupo espanhol envolvido na descoberta, nossos ouvidos agora começaram a escutar ''a sinfonia do universo''. ''É uma descoberta histórica, que abre uma nova era na compreensão dos cosmos'', ressaltou.
Sua equipe realizou simulações super-computadorizadas que reproduzem, segundo a Lei da Relatividade, todos os fenômenos que essas ondas poderiam produzir: duplas de estrelas de nêutrons, supernovas, buracos negros... Essas simulações foram comparadas com a frequência do sinal real captado no LIGO, e assim foi possível saber o que exatamente aconteceu, qual é a fonte das ondas, a que distância se encontra etc.
''Avançada LIGO'', como a versão recentemente atualizada do experimento é chamado, é constituído por dois detectores, um em Hanford, Washington, e uma em Livingstonl Louisiana. Cada detector é um interferômetro de Michelson, que consiste em duas cavidades ópticas de 4 km de comprimento, ou ''braços'', que são dispostas em forma de L. Nele, um feixe de laser é gerado e dividido em dois - uma metade é disparada em um túnel, e a outra pela segunda passagem. Espelhos ao final dos dois túneis rebatem os feixes pra lá e para cá muitas vezes, antes que se recombinem. Se uma onda passa pelo túnel, ela vai distorcer levemente seu entorno, mudando a longitude dos túneis em uma quantidade diminuta (apenas uma fração de largura de um átomo).
E a forma com que as ondas se movem pelo espaço significa que um túnel se estira e outro se encolhe, o que fará com que um raio laser viaje uma distância levemente maior, enquanto o outro fará uma viagem mais curta. Como resultado, os raios divididos se recombinam de uma maneira diferente: as ondas de luz interferem entre si, em vez de cancelarem. Essa observação direta abre uma nova janela para os cosmos, uma janela que não seria possível sem Einstein.
Os objetos que produzem ondas gravitacionais estão a milhões de anos-luz, tão longe da Terra que chegam aqui como ínfimas ondulações do espaço e do tempo.
A sensibilidade de LIGO é excepcional: ele pode detectar diferenças de comprimento entre os ''braços'' que são menores do que o tamanho de um núcleo atômico. O maior desafio para o LIGO é o detector de ruído, principalmente a partir de ondas sísmicas, o movimento térmico e barulho de disparo de fótons. Essas pertubações podem facilmente mascarar o pequeno sinal esperado a partir das ondas gravitacionais. A atualização, concluída em 2015, têm aumentado a sensibilidade do detector de fontes mais distantes e foram cruciais para a descoberta das ondas gravitacionais.
Em física, vivemos e respiramos por descobertas, como o relatado pelo LIGO, mas o melhor ainda está por vir. Como Kip Throne disse recentemente em uma entrevista à BBC, a gravação de uma onda gravitacional, pela primeira vez nunca foi o principal objetivo da LIGO. A motivação foi sempre abrir ama nova janela para o Universo.
Os objetos emitem pertubações que acabaram de ser detectadas, mas a partir de agora os físicos poderão olhar os objetos com as ondas eletromagnéticas e escutá-los com as ondas gravitacionais. A próxima rede de detectores baseados na terra, como a Advanced Virgo, KAGRA no Japão, e, possivelmente um terceiro detector LIGO na Índia, vai ajudar os cientistas a determinar os locais de fontes no céu. Isso nos diz para onde apontar os telescópios ''tradicionais'' que recolhem a radiação eletromagnética ou neutrinos. Combinado instrumentos de observação, desta forma seria a base para um novo campo de pesquisa, por vezes referido como ''multimessenger astronomy''.
Em breve também irá recolher os primeiros resultados do LISA Pathfinder, um experimento de nave espacial que serve como um teste para eLISA, um interferômetro espacial. eLISA nos-permite um entendimento mais profundo para os cosmos do que detectores terrestres, permitindo estudos da formação de mais buracos negros maciços e investigações do comportamento do forte campo de gravidade em distancias cosmológicas. Com o resultado de Advanced Ligo, estamos entrando na aurora da era da astronomia de ondas gravitacionais: com esta nova ferramenta, é como se nós fossemos capazes de ouvir, quando só podíamos ver.
É muito significativo que o primeiro ''som'' da fusão de dois buracos negros foi captado pela Advanced LIGO. Estes objetos que não podemos ver com a radiação eletromagnética. As implicações da astronomia de ondas gravitacionais de astrofísica, em um futuro próximo são deslumbrantes. Múltiplas detecções nos permitirá estudar a frequência com que os buracos negros se fundem no cosmos e testar modelos astrofísicos que descrevem a formação de sistemas binários. A este respeito, é encorajador notar que LIGO pode já ter detectado um segundo evento; uma análise muito preliminar que sugere se este evento prova ter uma origem astrofísica, então é provável que seja também um buraco negro de um sistema binário.
A detecção de sinais fortes também irá permitir que os físicos possam testar o chamado teorema da calvície, que diz que estrutura e dinâmica de um buraco negro depende apenas da sua massa e da rotação.
Observando as ondas gravitacionais de buracos negros também poderá nos dizer sobre a natureza da gravidade. A gravidade realmente comporta como o esperado por Einstein na vizinhança dos buracos negros, onde os campos são muito fortes? Pode a energia escura e a aceleração do Universo ser explicado pela modificação de gravidade de Einstein? Estamos apenas começando a responder a estas questões.
Fontes: http://ep00.epimg.net, http://journals.aps.org/prl, http://www.bbc.com/portuguese, http://physics.aps.org, http://gizmodo.com, www.ligo.caltech.edu e http://journals.aps.org/prl
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