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.

© 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

Raios cósmicos têm origem extragaláctica

Pesquisadores participantes da colaboração Pierre Auger descobriram que, acima de um determinado nível de energia, estas partículas, que são as mais energéticas da natureza e atingem constantemente a atmosfera terrestre, têm origem extragaláctica.

© Pierre Auger (cascatas de partículas geradas por raios cósmicos)

A colaboração Pierre Auger, o maior observatório do mundo dedicado ao estudo e à detecção de raios cósmicos, está localizado na província de Mendoza, na Argentina. O observatório possui esta denominação em homenagem ao físico francês Pierre Auger (1899-1992).

“A chance de essa conclusão ser fruto do acaso é de dois em 100 milhões,” disse Carola Dobrigkeit Chinellato, professora do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp) e presidente da comissão brasileira no Observatório Pierre Auger.

A partir de dados registrados pelo Observatório entre janeiro de 2004 e agosto de 2016, os pesquisadores observaram que raios cósmicos ultraenergéticos, acima de 8 x 10¹⁸ eV (elétrons-volts) chegam em maior número à Terra vindos de um lado do céu.

Esta região no céu de onde vêm mais raios cósmicos ultraenergéticos coincide com a localização de grande parte das galáxias vizinhas da Via Láctea, em um raio de até 700 mil anos-luz.

Esta é uma forte evidência de que os raios cósmicos de altas energias vêm de fora da Via Láctea.

De acordo com os pesquisadores participantes da colaboração, a descoberta contribui não apenas para entender a origem destas partículas ultraenergéticas, como também os mecanismos cósmicos capazes de imprimir tamanha energia a estas diminutas entidades subatômicas, que podem viajar a distâncias de trilhões de quilômetros (anos-luz) através do espaço e chegar à Terra carregando energias extremas.

Núcleos atômicos leves como o do hidrogênio ou pesados como o do ferro, os raios cósmicos chegam à Terra vindos do espaço, a todo instante.

O fluxo destas partículas subatômicas para a Terra, contudo, diminui abruptamente conforme a energia aumenta. As de energia acima de 10¹⁸ eV, denominadas ultraenergéticas, como a que os pesquisadores detectaram agora, aparecem na Terra com uma frequência de 1 partícula por quilômetro quadrado (km²) por ano.

Por este motivo, a origem e os mecanismos cósmicos de produção destes raios cósmicos ultraenergéticos, conhecidos há mais de 50 anos, continuam sendo um mistério.

A fim de identificar indícios da origem destas partículas subatômicas de mais alta energia, os pesquisadores membros da colaboração Pierre Auger têm estudado a distribuição de suas direções de chegada à Terra.

Ao atingirem a atmosfera terrestre, a cerca de 10 km a 20 km de altitude, os raios cósmicos ultraenergéticos colidem com núcleos atômicos do ar, como de nitrogênio e oxigênio.

Estas colisões geram centenas ou milhares de outras partículas que seguem rumo ao solo, quase à velocidade da luz (de cerca de 300 mil km por segundo), na forma de cascatas de partículas, chamadas de “chuveiro atmosférico extenso”.

As partículas carregadas no chuveiro excitam as moléculas de nitrogênio no ar, produzindo uma tênue luz azul, que é captada por telescópios de fluorescência do Observatório Pierre Auger durante noites claras.

As partículas também são registradas por 1.660 detectores de superfície do observatório. Espalhados por uma área de 3 mil km², em uma região plana ao lado dos Andes, os detectores, que operam ininterruptamente, consistem em tanques de polietileno, preenchidos com 12 mil litros de água ultrapurificada e instrumentalizados com sensores fotomultiplicadores.

Quando as partículas de um chuveiro atmosférico atravessam a água no interior do tanque é emitida luz, chamada radiação Cherenkov, que pode ser medida nos sensores.

Com base na análise destes dois tipos de luz, entre outros dados, é possível extrair diversas informações sobre o raio cósmico (dito primário) que iniciou a cascata de partículas no alto da atmosfera.

Fonte: Science

Arapuca para detectar fótons

O Arapuca é um equipamento que está em análise e tem grande chance de ser adotado como um dos principais componentes do sistema de fotodetecção do Dune (Deep Underground Neutrino Experiment).

© Fermilab (ilustração da interação neutrino e antineutrino)

O Arapuca foi concebido para detecção de fótons pelos cientistas Ettore Segreto, professor do Instituto de Física Gleb Wataghin, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e Ana Amélia Bergamini Machado, professora do Centro de Ciências Naturais e Físicas, da Universidade Federal do ABC (UFABC).

O Arapuca é uma espécie de armadilha para capturar a luz. Um dos desafios para o sistema de fotodetecção do Dune é que os tanques de argônio onde deverão ocorrer as cintilações são muito grandes e os sensores de luz disponíveis são muito pequenos. Em particular, os sensores de silício que serão utilizados têm uma superfície coletora da ordem de apenas 1 cm². A função do Arapuca é aumentar a área de coleta e aprisionar os fótons coletados dentro de uma caixa, para disponibilizá-los aos sensores.

A interação das partículas geradas pelos neutrinos com o argônio líquido dos grandes tanques produz luz com comprimento de onda de 128 nanômetros. Por meio de um filtro, o comprimento de onda é modificado para 350 nanômetros. Como a janela do Arapuca é transparente para este comprimento de onda, os fótons conseguem entrar. Porém, uma vez lá dentro, um segundo filtro é usado para fazer o comprimento de onda retornar aos 128 nanômetros. E os fótons não conseguem sair, porque a janela é opaca para este comprimento de onda. Aprisionados, eles ficam ricocheteando nas paredes altamente reflexivas da caixa, até serem captados pelos sensores colocados no interior.

Estes filtros, chamados genericamente de deslocadores de comprimento de onda, são constituídos por materiais orgânicos (hidrocarbonetos policíclicos aromáticos) que absorvem fótons em uma banda de frequências e os reemitem em outra. No caso, serão utilizados o para-terfenilo e o tetrafenil butadieno. O Arapuca já foi incorporado ao sistema de fotodetecção do ProtoDune, um protótipo em grande escala do Dune, que está sendo construído e deverá entrar em operação no CERN (European Organization for Nuclear Research) em outubro de 2018. Responsáveis pelo sistema de fotodetecção do ProtoDune, Segreto e Machado encontram-se atualmente no CERN.

A função do ProtoDune é testar todas as soluções tecnológicas que serão utilizadas posteriormente no Dune. O teste não será feito com neutrinos, mas com um feixe de partículas eletricamente carregadas, produzidas por um dos aceleradores do CERN, e apontadas para um detector com cerca de mil toneladas de argônio líquido. Já o Dune utilizará, no total, 70 mil toneladas de argônio líquido, 40 mil das quais comporão o tanque de detecção propriamente dito.

Resumidamente, o acelerador do Fermilab produzirá o mais poderoso feixe de neutrinos já estudado. Este feixe será detectado duas vezes: primeiro, bem perto da fonte, no próprio Fermilab, no estado de Illinois; depois, a 1.300 quilômetros da fonte, no estado de South Dakota.

O segundo detector é o gigante preenchido por 70 toneladas de argônio, mantido em estado líquido por uma refrigeração a –184 ºC. O que ele registrará serão os chuveiros de partículas e luz produzidos quando os neutrinos superenergéticos arrancarem de suas órbitas elétrons dos átomos de argônio. Um dos principais alvos do Dune é comparar, por meio das duas detecções, os padrões de oscilação dos neutrinos e dos antineutrinos. Se estes padrões não forem rigorosamente simétricos, isso fornecerá uma prova concreta da “violação de simetria de carga-paridade” (CPV).

A CPV é um ingrediente fundamental do chamado modelo padrão. E explica por que um Universo que, no início, possuía quantidades idênticas de matéria e antimatéria se transformou em um Universo no qual a matéria é amplamente predominante. Se a composição tivesse se mantido rigorosamente simétrica, matéria e antimatéria teriam se aniquilado. Mas, de acordo com o modelo, a violação de simetria gerou um pequeno excedente de matéria em relação à antimatéria. E foi este excedente que resultou no Universo material.

Além da violação de simetria, os pesquisadores da colaboração internacional esperam poder registrar também, no gigantesco tanque de argônio, um outro fenômeno, que não depende dos neutrinos: o decaimento do próton, previsto pela teoria, porém jamais observado. Se isso ocorrer, e há grande expectativa de que ocorra, o experimento terá proporcionado uma prova empírica da capacidade preditiva de modelos supersimétricos que buscam unificar três das quatro interações conhecidas: eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca.

O terceiro alvo do experimento é o aprimoramento de modelos acerca da formação de estrelas de nêutrons e buracos negros, mediante a observação de neutrinos provenientes do colapso de supernovas.

Fonte: Fermilab

Como detectar ondas gravitacionais com hélio

As ondas gravitacionais de pulsares próximos poderiam ser detectadas usando apenas alguns quilogramas de hélio ⁴He superfluido, de acordo com físicos nos EUA.

© Chandra (pulsar Vela)

A imagem acima mostra a evolução temporal do vento do pulsar Vela observado na faixa de energia espectral de 0,5 a 8 keV.

Seu detector, que ainda não foi construído, poderia medir ondas sonoras no superfluido causadas por ondas gravitacionais na faixa de 0,1 a 1,5 kHz.

As ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo que são criadas quando objetos massivos são acelerados sob certas condições. A primeira detecção de ondas gravitacionais foi feita em 2015, quando o observatório Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detectou um sinal de um buraco negro binário coalescente. Mais duas ondas gravitacionais já foram detectadas pela LIGO, ambas associadas a buracos negros binários.

O LIGO é um detector de banda larga que pode captar sinais na faixa de 10 Hz a 5 kHz. É particularmente propício para detectar sinais transitórios associada aos buracos negros coalescentes.

Swati Singh do Williams College, Laura DeLorenzo e Keith Schwab do Caltech e Igor Pikovski da Universidade de Harvard querem construir um detector que possa se concentrar em uma banda de frequência relativamente estreita para detectar ondas gravitacionais de pulsares.

Um pulsar é uma estrela de nêutrons de rotação rápida que deverá transmitir continuamente ondas gravitacionais a uma frequência específica na faixa de 1 Hz a 1 kHz, com a frequência dependendo das características físicas do pulsar. Ao fazer uma medição de banda estreita durante um longo período de tempo, um sinal de ruído muito baixo de um pulsar poderia, em princípio, ser detectado.

Este detector compreende vários quilogramas de hélio superfluido mantido em um recipiente cilíndrico que é acoplado em um ressonador micro-ondas supercondutor. Confinamento no recipiente significa que o superfluido ressoará com ondas de som em determinadas frequências, assim como um instrumento musical.

Esta ressonância acústica também significa que o superfluido deve atuar como uma antena que é sintonizada para detectar ondas gravitacionais em frequências específicas. Quando tal onda gravitacional viaja através do detector, criaria um campo de tensão que produziria ondas sonoras no hélio. O ressonador de micro-ondas converteria essas ondas em um sinal mensurável.

Embora outros tenham tentado fazer estas antenas usando barras de metal, a equipe diz que o hélio superfluido oferece vários benefícios, incluindo o fato de que a frequência do detector pode ser alterada ajustando a pressão do hélio.

Calcula-se que usando a tecnologia de transdutor de micro-ondas de última geração, o detector poderia medir sinais de certos tipos de pulsares depois de alguns meses.

Fonte: New Journal of Physics

Forças de Van Der Waals se repelem?

As interações de Van Der Waals entre as moléculas estão entre as forças mais importantes na biologia, física e química, determinando as propriedades e o comportamento de muitos materiais.

© U. Basel (forças Van der Waals entre átomos de xenônio e gás)

Há muito tempo, os cientistas consideram que estas interações entre as moléculas seriam sempre de atração. Agora, pesquisadores Mainak Sadhukhan e Alexandre Tkatchenko da Universidade de Luxemburgo descobriram que, em muitas situações bastante comuns e na maioria das situações práticas, a força de Van der Waals entre duas moléculas torna-se repulsiva quando ocorrem sob confinamento. Isso pode levar a uma mudança de paradigma nas interações moleculares. 

A força de Van der Waals foi explicada pela primeira vez pelo físico alemão-americano Fritz Wolfgang London, em 1930. Usando a mecânica quântica, ele demonstrou a natureza puramente atrativa da força de Van der Waals para quaisquer duas moléculas que interagissem no espaço livre. Entretanto, na natureza, as moléculas na maioria dos casos interagem em espaços confinados, como células, membranas, nanotubos, etc. Nesta situação particular, as forças de Van der Waals tornam-se repulsivas a grandes distâncias entre moléculas.

Agora, Mainak Sadhukhan desenvolveu um novo método de mecânica quântica que lhes permitiu modelar as forças de Van der Waals em confinamento.

A nova teoria permite, pela primeira vez, uma interpretação de muitos fenômenos interessantes observados para moléculas em confinamento.

A descoberta deverá ter muitas implicações potenciais para a entrega de moléculas de fármacos on interior de células, a dessalinização, o transporte de água e automontagem de camadas moleculares em dispositivos fotovoltaicos.

O grupo de pesquisa do professor Tkatchenko está trabalhando em métodos que modelam as propriedades de uma ampla gama de interações intermoleculares. Somente em 2016, eles descobriram que a verdadeira natureza destas forças Van der Wals difere do conhecimento convencional em química e biologia, pois elas devem ser tratados como acoplamento entre as ondas e não como atração mútua (ou repulsão) entre as partículas. 

Um artigo sobre a descoberta foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: University of Luxembourg