Ondas de gravidade • SN Sato
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Nessa primeira semana de outubro a Fundação Nobel está divulgando os laureados de 2017. O Prêmio Nobel de Física foi concedido a três americanos e o tema foram as ondas gravitacionais. Tudo no Universo pode ser entendido como ondas ou partículas. De fato, tudo é dual, tem natureza dupla e foi nossa ignorância inicial que nos fez dividir o Universo em onda e partícula.
Dessa forma a Física teórica concebeu uma partícula para explicar a gravidade, o gráviton.
A gravidade foi discutida pelos filósofos gregos da Antiguidade. Era uma propriedade dos corpos serem mais leves ou mais pesados (ou graves), no sentido de buscar o ar ou buscar a terra, dois dos quatro elementos fundamentais, segundo eles. A ideia de que matéria atrai matéria é devida a muitas pessoas, mas sua quantificação é devida ao grande Isaac Newton (1643 – 1727), que a partir das órbitas dos corpos ao redor do Sol, os planetas, deduziu que a força de atração gravitacional é diretamente proporcional às massas envolvidas (em produto) e inversamente proporcional ao quadrado da distância.
Mas Newton estabelecia uma correta medida sobre a força de gravidade, mas não discutia como ela atuava a distância, simplesmente era assim.
Foi Einstein (1879 – 1955) que estabeleceu que a gravidade é o resultado da curvatura do espaço-tempo. A massa dos corpos curva o espaço-tempo. Quanto mais massa um corpo possui mais é essa curvatura. Os corpos viajam no espaço-tempo e assim as trajetórias dos corpos são influenciadas pelas curvas do espaço-tempo.
Essa é a visão da relatividade generalizada sobre a gravidade.
A Física Quântica estabelece que as interações, que nós denominamos de forças, ocorrem porque partículas (que lembro, também são ondas) são trocadas entre os sistemas envolvidos. Assim a gravidade ocorre em função da partícula gráviton. Pela dualidade onda-partícula deve existir uma onda gráviton ou uma onda gravitacional que é emitida pelos corpos materiais. Em particular pelo nosso Sol que é o corpo mais massivo próximo de nós (sem contar a própria Terra que está bem perto). Ainda que essas sejam naturalmente minúsculas, menores que os núcleos do átomos, de tal forma que nunca tenham sido detectadas. Até agora!
Assim seria promissor para o pensamento formal da Física que as ondas gravitacionais fossem mensuradas. O problema é como fazer isso. As ondas gravitacionais que passam pela Terra seriam de uma sutileza fantástica. O que quero dizer é que seriam ondas minúsculas. Ondas que produziriam distorções mínimas. Subatômicas! Como medir isso?
Em 1992 o projeto LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory; Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro de Laser) foi fundado por Kip Thorne (1940 –) e Ronald Drever (1931 –), ambos do Caltech e Rainer Weiss (1932 –) do MIT. Esse projeto foi patrocinado pela Fundação Nacional de Ciência dos Estados Unidos, sendo seu projeto mais caro. Um grupo internacional de 900 cientistas de 40 instituições analisam os dados obtidos com o LIGO. O projeto efetivamente funciona desde 2010. Na verdade a versão atual do projeto, devido ao aumento de precisão do observatório conseguida com mais tecnologia embarcada, faz com que o projeto seja denominado LIGO avançado.
Como as ondas gravitacionais são muito sutis a ideia do projeto LIGO foi medir as fontes mais intensas, envolvendo sistemas duplos ou binários, de corpos altamente massivos, ou seja, colisões entre estrelas de nêutrons ou entre buracos negros.
Como esses corpos envolvem massas que podem ser muitas vezes a massa do nosso Sol um evento desse tipo poderia produzir uma onda gravitacional que produzisse distorções no espaço-tempo grandes o bastante para serem medidas. Ainda que insisto estejamos falando de algo do tamanho de núcleos atômicos e principalmente muito menos que isso.
Em fevereiro de 2016 o projeto LIGO anunciou que em 14 de setembro de 2015 o projeto detectou um sinal emitido pela colisão de dois buracos negros, com massa total de 30 massas solares, a cerca de 1,3 bilhão de anos luz da Terra. O que significa que a onda gravitacional levou 1,3 bilhão de anos para chegar até aqui.
A colisão de dois buracos negros não pode ser vista, no sentido usual, mesmo com o uso de telescópios potentes, simplesmente porque buracos negros não emitem luz. Por isso são negros! Mas buracos negros emitem ondas gravitacionais e a colisão entre eles produziu uma gigantesca onda gravitacional, há 1,3 bilhão de anos, em uma época que a Terra mal possuía vida na forma multicelular.
Em setembro de 2015 uma onda gravitacional passou pela Terra, por todos nós, esticando o espaço-tempo em uma direção e comprimindo o mesmo espaço-tempo na direção perpendicular. Quanto? Algo como 10–21 do comprimento original. Se o corpo possui um metro de comprimento sofreu uma distorção da ordem de 10–21 m. O detector LIGO tem 5 km de comprimento, mas mesmo assim estamos falando de algo da ordem de 10–17 m. Quanto é isso? Bem pequeno. Uma fração de um núcleo atômico. Algo como um milionésimo de um raio atômico.
Que os físicos são engenhosos, brilhantes, para compreender a natureza das coisas. Foram capazes de alinhar um raio laser de 5 km de extensão de tal forma que o erro de alinhamento ficou menor que um milionésimo de um raio atômico. Parabéns.
Que a tecnologia foi desenvolvida a um nível sem precedentes. Parabéns.
Que milhares de pessoas conseguem colaborar mesmo em função de algo inicialmente teórico, para verificar se e é prático ou não. Parabéns. Isso dá fé na humanidade.
Que hoje temos um novo tipo de observatório, que não usa ondas eletromagnéticas (luz visível, infravermelho, entre outras), mas usa ondas de gravidade.
Muitos eventos do Universo são opacos as ondas eletromagnéticas e assim não podem ser vistas pelos telescópios. Como o Big Bang por exemplo.
Contudo todos os eventos que envolvem massas emitem ondas gravitacionais e não há opacidade para elas. As ondas gravitacionais viajam no próprio "tecido" do espaço-tempo. Pode ir a qualquer lugar. Basta que possamos dar a atenção a elas.
Isso significa que a partir das ideias de algumas mentes brilhantes poderemos mudar a nossa forma de observar o Universo com o incrível observatório LIGO.
Em tempo: Veja a palestra TED. Ela está em espanhol mas é possível colocar legendas em português.
Olá Sato. Para leigos como eu entender a gravidade como ondas minúsculas particuladas é de extrema dificuldade a sua capacidade de relatar os fenômenos me renova a esperança de tentar ao menos alguns conceitos. Através de seus relatos espero conseguir matar minha curiosidade sobre essas forças incríveis a que o Universo está sujeito. E luto contra o tempo torcendo muito para que os cientistas resolvam e utilizem praticamente tais conhecimentos. Parabéns.
8 de novembro de 2017 às 08:29
O Universo é feito de matéria e energia. Mas como Einstein nos mostrou matéria e energia são essencialmente a mesma coisa. Quando pensamos em matéria pensamos em partículas e quando pensamos em energia pensamos em ondas. Dessa forma partículas e ondas também são o mesmo.
Francisco, bom momento. Coloquei um outro vídeo das palestras TED para ilustrar o estudo das ondas de gravidade. Veja lá…