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quinta-feira, 1 de junho de 2023

Ouvindo o "timbre" dos buracos negros

A teoria da relatividade geral de Albert Einstein descreve a forma como o tecido do espaço-tempo, é curvado em resposta à massa.

© Y. Steele (ilustração do espaço-tempo de um buraco negro)

A imagem mostra o remanescente da fusão de um buraco negro binário que está emitindo as suas últimas ondas gravitacionais antes de assentar. As ondas gravitacionais previstas pela relatividade geral são representadas pelas espirais azuis que se afastam do buraco negro. Os desvios da relatividade geral podem aparecer como deformações das ondas gravitacionais e são representados pelas espirais vermelhas.

O nosso Sol, por exemplo, deforma o espaço à nossa volta de tal forma que o planeta Terra orbita o Sol como uma bola de gude atirado para um funil (a Terra não cai para o Sol devido ao impulso lateral do planeta). 

A teoria, que foi revolucionária no momento em que foi proposta em 1915, reformulou a gravidade como uma curvatura do espaço-tempo. Por muito fundamental que esta teoria seja para a própria natureza do espaço à nossa volta, isso pode não ser o fim da história. Em vez disso, as teorias quânticas da gravidade, que tentam unificar a relatividade geral com a física quântica, contêm segredos sobre o funcionamento do nosso Universo a níveis mais profundos. 

Um dos locais onde se podem procurar assinaturas quânticas de gravidade é nas poderosas colisões entre buracos negros, onde a gravidade atinge o seu ponto mais extremo. Os buracos negros são os objetos mais densos do Universo, onde a sua gravidade é tão forte que espremem os objetos que neles caem como se fossem espaguete. 

Quando dois buracos negros colidem e se fundem num corpo maior, perturbam o espaço-tempo ao redor, enviando ondas gravitacionais em todas as direções. O LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) tem detectado regularmente ondas gravitacionais geradas por fusões de buracos negros desde 2015 (os seus observatórios parceiros, Virgo e KAGRA, juntaram-se à caça em 2017 e 2020, respetivamente). 

No entanto, até agora, a teoria da relatividade geral tem passado teste após teste, sem sinais de ruptura. Agora, dois novos artigos científicos liderados pelo Caltech (California Institute of Technology), publicados nos periódicos Physical Review X e Physical Review Letters, descrevem novos métodos para submeter a relatividade geral a testes ainda mais rigorosos.

Observando mais de perto as estruturas dos buracos negros e as ondulações no espaço-tempo que produzem, os cientistas procuram sinais de pequenos desvios da relatividade geral que indiciem a presença de gravitação quântica. Quando dois buracos negros se fundem para produzir um buraco negro maior, o buraco negro final gera um sinal sonoro.

A qualidade do seu timbre, pode ser diferente das previsões da relatividade geral se certas teorias da gravitação quântica estiverem corretas. Estes métodos foram concebidos para procurar diferenças na qualidade desta fase de descida do zumbido, como os harmônicos e os sobretons. 

O primeiro artigo, publicado na revista Physical Review X, apresenta uma nova equação para descrever o "timbre" dos buracos negros no âmbito de certas teorias quânticas da gravidade. O trabalho baseia-se numa equação inovadora desenvolvida há 50 anos por Saul Teukolsky, professor de astrofísica teórica no Caltech. Teukolsky tinha desenvolvido uma equação completa para compreender melhor a forma como as ondulações da geometria do espaço-tempo se propagam à volta dos buracos negros. Em contraste com os métodos numéricos da relatividade, em que são necessários supercomputadores para resolver simultaneamente muitas equações diferenciais da relatividade geral, a equação de Teukolsky é muito mais simples de utilizar e fornece uma visão física direta do problema. 

Se alguém quiser resolver todas as equações de Einstein da fusão de um buraco negro para a simular com precisão, tem de recorrer a supercomputadores. Os métodos numéricos da relatividade são extremamente importantes para simular com exatidão as fusões de buracos negros e constituem uma base crucial para a interpretação dos dados do LIGO. Mas é extremamente difícil para os físicos extrair intuições diretamente dos resultados numéricos. A equação de Teukolsky fornece uma visão intuitiva do que se está passando na fase de descida do zumbido. Esta equação permite modelar e compreender as ondas gravitacionais que se propagam à volta dos buracos negros, que são mais exóticas do que Einstein previu.

O segundo artigo, publicado na revista Physical Review Letters, descreve uma nova forma de aplicar a equação de Teukolsky aos dados reais obtidos pelo LIGO e pelos seus parceiros na sua próxima série de observações. Esta abordagem de análise de dados utiliza uma série de filtros para remover características do "timbre" de um buraco negro previstas pela relatividade geral, de modo a que possam ser reveladas assinaturas potencialmente sutis além da relatividade geral.

Os físicos encontraram uma forma de traduzir um grande conjunto de equações complexas numa só equação, o que é extremamente útil. Esta equação é mais eficiente e mais fácil de usar do que os métodos que usados anteriormente. Os dois estudos complementam-se e podem aumentar significativamente a capacidade para sondar a gravidade.

Fonte: California Institute of Technology

terça-feira, 3 de outubro de 2017

Prêmio Nobel de Física: ondas gravitacionais

O Prêmio Nobel da Física de 2017 foi concedido hoje ao alemão Rainer Weiss e aos americanos Barry C. Barish e Kip S. Thorne pela criação, nos anos 1990, do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), nos Estados Unidos, que permitiu a detecção de ondas gravitacionais pela primeira vez na História.

detectando ondas gravitacionais

© Johan Jarnestad (detectando ondas gravitacionais)

Rainer Weiss nasceu em Berlim, na Alemanha, em 1932, ele é pesquisador do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), em Cambridge, nos Estados Unidos. Barry C. Barish nasceu em 1936, em Omaha, no estado americano de Nebraska, e atua no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), em Pasadena. Kip S. Thorne nasceu em 1940, em Logan, no Utah, e também atua no Caltech.

Os cientistas laureados forneceram decisivas contribuições ao detector LIGO e à observação de ondas gravitacionais. As ondas gravitacionais foram previstas por Albert Einstein em sua Teoria Geral da Relatividade, publicada há cem anos, mas extremamente sutis, elas pareciam impossíveis de serem detectadas.

A observação das ondas gravitacionais no Universo só aconteceu no dia 14 de setembro de 2015, no LIGO. Naquela data, os cientistas finalmente detectaram as tênues vibrações emitidas por dois buracos negros que giram um ao redor do outro, a 1,3 bilhão de anos-luz da Terra. A descoberta foi divulgada no dia 11 de fevereiro de 2016. O sinal foi extremamente fraco quando chegou à Terra, mas já prometeu uma revolução na astrofísica. As ondas gravitacionais são uma maneira totalmente nova de observar os eventos mais violentos no espaço e testar os limites do nosso conhecimento.

Antes da façanha, os físicos sempre utilizaram o espectro eletromagnético para fazer suas descobertas. Mas o experimento provou que também é possível estudar o Universo a partir de outros tipos de ondas existentes. A partir dali, os cientistas se convenceram de que, se é possível detectar ondas gravitacionais, talvez seja possível descrever fenômenos que não emitem ondas eletromagnéticas suficientemente significativas para serem observadas.

A existência das ondas gravitacionais passou a ser concebida quando, no final dos anos 1950, estudos demonstraram que as ondas carregavam energia; e, por isso, poderiam ser mensuráveis.

Em 1970, os astrônomos Joseph Taylor e Russel Hulse mostraram que as estrelas giravam ao redor delas mesmas e, com isso, perdiam energia. Esta energia perdida seria uma indicação da existência das ondas gravitacionais. Por esse achado, Taylor e Hulse foram laureados com o Nobel de Física de 1993.

Entretanto, estas demonstrações eram indicações indiretas das ondas gravitacionais. A evidência direta do fenômeno só viria depois de um imenso esforço, uma vez que não seria fácil provocar alterações no espaço-tempo.

Em meados da década de 1970, Rainer Weiss já havia analisado possíveis fontes de ruído de fundo que perturbariam as medidas e também desenharam um detector, um interferômetro a laser, que superaria este ruído. No começo, tanto Kip S. Thorne quanto Rainer Weiss estavam firmemente convencidos de que as ondas gravitacionais podiam ser detectadas e provocavam uma revolução no nosso conhecimento do Universo.

"Antes nós víamos o Universo. Agora, nós começamos a ouvi-lo”, disse Thorne.

As ondas gravitacionais se espalham à velocidade da luz, preenchendo o Universo. Elas sempre são criadas quando uma massa acelera, como os rodopios de um patinador de gelo ou um par de buracos negros girando um em torno do outro. O físico Albert Einstein estava convencido de que nunca seria possível mensurá-las. A realização do projeto LIGO foi usar um par de interferômetros a laser gigantes para medir uma mudança milhares de vezes menor do que um núcleo atômico, quando a onda gravitacional passar pela Terra.

Apesar do importante papel dos três laureados na descoberta das ondas gravitacionais, as pesquisas tiveram participação de mais de mil cientistas de mais de vinte países, incluindo grupos brasileiros liderados por Odylio Aguilar, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), e por Riccardo Sturani, do Centro Internacional de Física Teórica, da Universidade Estadual Paulista (Unesp).

O Instituto Karolinska anunciou em setembro um reajuste de 12% no valor dos prêmios Nobel, que permanecia o mesmo desde 2012: 8 milhões de coroas suecas, o equivalente a cerca de US$ 981 mil, ou R$ 3,1 milhões. Os vencedores de 2017 receberão 9 milhões de coroas, o que significa US$ 1,1 milhão, ou cerca de R$ 3,5 milhões.

Até agora, todos os tipos de radiação e partículas eletromagnéticas, como os raios cósmicos ou os neutrinos, foram utilizados para explorar o Universo. No entanto, as ondas gravitacionais são testemunho direto de interrupções no espaço-tempo. Isso é algo completamente novo e diferente, abrindo mundos invisíveis. Muitas descobertas prosperarão das ondas gravitacionais, propiciando interpretar suas mensagens.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences