Ondas gravitacionais e o nobel da física 2017

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Em 14 de setembro de 2015, os detectores do observatório  de ondas gravitacional por interferômetro Laser, LIGO, nos EUA viram o espaço vibrar com ondas gravitacionais pela primeira vez. Embora o sinal tenha sido extremamente fraco quando alcançou a Terra, já prometeu uma revolução na astrofísica. As ondas gravitacionais são uma maneira totalmente nova de observar os eventos energéticos mais violentos no espaço e testar os limites do nosso conhecimento.

As ondas gravitacionais que foram observadas até agora foram criadas de uma forte colisão entre dois buracos negros, há mais de 1 bilhão de anos.  Passou-se um século desde que as ondas gravitacionais foram preditas por Albert Einstein em sua teoria geral da relatividade, mas ele sempre foi cético se elas poderiam de fato serem observadas.

O LIGO é um projeto colaborativo com mais de mil pesquisadores de mais de vinte países. Juntos, eles perceberam uma visão que tem quase cinquenta anos. Os Premiados pelo  Nobel de física de 2017 foram fundamentais e ​para o sucesso do LIGO. Os pioneiros Rainer Weiss e Kip S. Thorne, Barry C. Barish garantiram que as mais de quatro décadas de esforço pudessem  detectar as ondas gravitacionais.

Os rumores começaram a circular cerca de cinco meses antes do grupo de pesquisa internacional ter acabado de refinar seus cálculos, mas eles não se atrevem a anunciar suas descobertas até 11 de fevereiro de 2016[1]. Os pesquisadores do LIGO estabeleceram vários descobertas com a primeira observação das ondas gravitacionais. Toda a sequencia de eventos foi a primeira indicação de que o espaço contém buracos negros de tamanho médio entre 30 e 60 massas solares e que podem fundir. Por um breve momento, a radiação gravitacional dos buracos negros em colisão foi muitas vezes mais forte do que a luz coletada de todas as estrelas no universo visível.

As vibrações dos 2 buracos negros que colidiram sacudiram todo o espaço-tempo. Como  ondulações em um lago provocadas pelo lançamento de uma pedra, as ondas gravitacionais causaram um impacto que se espalhou pelo cosmos. Apesar de se mover na velocidade da luz, levou muito tempo para que essa informação chegassem aqui na Terra, cerca de 1.4 bilhões de anos. Em 14 de setembro de 2015, as 11:51 UT, uma suave ondulação no padrão de luz no laboratórios da LIGO.

Durante décadas, os físicos tentaram detectar essas ondas gravitacionais que agitam o universo, descritas por Albert Einstein há 100 anos. Ele explicou que o espaço e o tempo são maleáveis ​​e que ele vibra como ondas gravitacionais sempre que uma massa(uma grande massa) acelera – como quando uma estrela explode em uma galáxia distante ou quando par de buracos negros se fudem.

Como as ondas gravitacionais, os buracos negros também são descritos pela teoria geral da relatividade de Einstein a partir de 1915. Durante mais de cinquenta anos, a maioria dos pesquisadores estava convencida de que os buracos negros só existiam como soluções para as equações de Einstein e não estavam realmente no espaço. A teoria da relatividade explica a gravidade como uma curvatura do espaço-tempo. Onde a gravidade é extremamente forte, a curvatura pode se tornar tão grande que um buraco negro se forma. Os buracos negros são os objetos muitos estranhos – nada pode escapar deles, nem mesmo a luz. Eles são, portanto, uma fonte constante de mistério na física.

Durante muitos anos, Albert Einstein estava convencido de que nunca seria possível medir as ondas gravitacionais e não tinha certeza se as ondas eram reais ou apenas uma solução matemática de um problema. Seu colega contemporâneo, Arthur Eddington, foi ainda mais cético e apontou que as ondas gravitacionais pareciam “propagar-se à velocidade do pensamento”.

A existência de ondas gravitacionais tornou-se mais aceita até o final da década de 1950, quando novos cálculos demonstraram que elas realmente carregam energia e, portanto, devem, em princípio, ser mensuráveis. Uma evidência indireta ocorreu na década de 1970, quando os astrônomos americanos Joseph Taylor e Russell Hulse usaram um grande radiotelescópio para observar um par de estrelas extremamente densas, um duplo pulsar. Eles foram capazes de mostrar que as estrelas giraram umas às outras em velocidade crescente, enquanto perdiam energia e se aproximavam. A quantidade de energia perdida correspondeu aos cálculos teóricos das ondas gravitacionais. Joseph Taylor e Russell Hulse receberam o Prêmio Nobel de Física em 1993

No entanto, a obtenção de evidências diretas de ondas gravitacionais requer observações diretas das ondas. Somente  processos cósmicos extremamente violentos poderiam causar ondas gravitacionais suficientemente fortes para serem medidas. No entanto, sua amplitude é minúscula e mesmo que todo o universo esteja constantemente vibrando com ondas gravitacionais, os eventos mais explosivos raramente ocorrem em nossa galáxia. Assim, teríamos que olhar para mais longe.

Os dois buracos negros emitiram ondas gravitacionais durante muitos milhões de anos enquanto giravam um ao redor do outro. Eles ficaram
cada vez mais perto, antes de se fundir para se tornar um buraco negro em alguns décimos de segundo.

As ondas observadas no  LIGO foram originadas da colisão de dois buracos negros que se moviam em círculos deste o início da história no universo. A cada ciclo eles varriam e deformavam o espaço tempo em forma espiral( como na imagem no inicio deste texto). As ondas carregavam energia, fazendo com que os buracos negros se aproximassem um do outro. Com a redução da distância a cada ciclo, mais energia é enviada e mais rápida é a velocidade de rotação dos buracos negros. Esta dança perdurou milhões de anos, até que, em uma fração de segundos, os buracos negros se aproximaram tanto que se fundiram em um único. Ao se fundirem, todas as vibrações desapareceram, deixando para trás um único buraco negro rotativo sem vestígios visíveis de seu início. Mas a memória dessa fusão não e perdida. Ela se propaga no tecido do espaço-tempo como ondulações.

Mas qual a intensidade dessas vibrações? Da mesma forma a radiação enfraquece com a distância, as pertubações no tecido espaço-tempo são muito pequenas, cerca de milhares de vezes menor que um núcleo atômico. E esta é a grande missão do LIGO. Detectar essas nuanças em nível atômicos provocados por pertubações em escala astronômicas.

Um dos primeiros detectores, ou tentativa de detectar foi feito por Joseph Weber na Universidade de Maryland, na década de 1960. Naquela época muitas pessoas duvidavam que existiam ondas gravitacionais e buracos negros.  e ninguém foi capaz de repetir os resultados de Weber. A fim de testar os resultados de Weber,  Richard Garwin construiu um detector similar ao de Joseph Weber e em seis meses detectou apenas um pulso,porém este era ruído instrumental.

Em meados da década de 1970, apesar do ceticismo generalizado, tanto Kip Thorne como Rainer Weiss estavam firmemente convencidos de que as ondas gravitacionais poderiam ser detectadas e causar uma revolução no nosso conhecimento do universo. Rainer Weiss já havia analisado possíveis fontes de ruído de fundo que perturbariam suas medidas. Ele também desenhou um detector, um interferômetro a laser, que superaria esse ruído.

Kip Thorne também começou a trabalhar com Ronald Drever, que construiu seus primeiros protótipos em Glasgow, na Escócia. Drever finalmente se mudou para se juntar a Thorne em Caltech, em Los Angeles. Juntos, Weiss, Thorne e Drever formaram um trio que foi pioneiro no desenvolvimento há muitos anos.

Diferente do projeto de Welber, os três premiados desenvolveram outro instrumento, um interferômetro a laser. O princípio há tempo muito conhecido:o equipamento consiste em dois braços que formam um L. Na esquina e  extremidades do L, espelhos maciços são suspensos em um dispositivo sofisticado. Uma onda gravitacional que passe afeta os braços do interferômetro de forma diferente – quando um braço é comprimido, o outro é esticado.(detalhes na figura acima)

A ideia era bastante simples, dois interferômetros gêmeos em sincronia um em Livingston, Louisiana e outro na Reserva Nuclear Hanford, Washington poderiam ajudar a detectar a passagem da onda gravitacional. Porém o rigor técnico e instrumental nos detalhes por causa da escala investigada, levaram mais de 40 anos para ter um instrumento sensível o suficiente para distinguir as ondas gravitacionais de todo ruido externo. Detalhes como o movimento térmico dos átomos na superfície dos espelhos deve ser compensado, bem como os efeitos quânticos no laser. Foi necessário desenvolver novas tecnologias laser e inventar novos materiais, bem como construir tubos de vácuo gigantescos, isolamento sísmico e outras tecnologias vitais, muito além do que já havia sido alcançado.

Em 1994, quando Barry Barish assumiu o cargo de líder do LIGO, transformou o pequeno grupo de pesquisa de cerca de 40 pessoas em uma colaboração internacional em larga escala com mais de mil participantes.

O sonho impossível só poderia se tornar realidade através dos esforços colaborativos da grande ciência.

Em setembro de 2015, LIGO estava prestes a funcionar, após inúmeras atualizações a calibrações ao longo de mais de uma década. A onda primeiro passou pela instalação de Livingston e  7 milésimos de segundo depois,  movendo-se à velocidade da luz, apareceu em Hanford, a três mil quilômetros de distância.

Uma mensagem do sistema computadorizado foi enviada no início da manhã em 14 de setembro de 2015. Todos nos EUA dormiam, mas em Hannover na Alemanha eram 11:51 e Marco Drago, um físico no Instituto Max Planck de Física Gravitacional, estava indo almoçar.

A forma da onda era exatamente como previsto, e não era um teste. Tudo se encaixa perfeitamente. Os pioneiros, agora em seus 80 anos, e seus colegas LIGO finalmente conseguiram detectar aquela onda que Einstein não achava possível ser detectada. Era quase bom para ser verdade, mas não foi até fevereiro do ano seguinte que eles foram autorizados a revelar a notícia a qualquer um, mesmo suas famílias.

O segredo bem guardado chamado GW 150914 atendeu todas as suas expectativas. Do sinal, os pesquisadores poderiam descobrir que os buracos negros eram 29 e 36 vezes mais pesados ​​que o Sol, mas não maiores que 200 quilômetros de diâmetro. Eles se uniram para formar um buraco negro de cerca de 62 massas solares, de modo que durante alguns décimos de segundo conseguiram irradiar energia sob a forma de ondas gravitacionais equivalentes a três massas solares. Isso fez do GW 150914 o objeto radiante mais poderoso do universo para esse breve momento. O sinal também indica a área no céu do sul, onde o evento violento ocorreu, 1,3 bilhão de largura. Isso significa que a colisão aconteceu 1,3 bilhão de anos atrás, no momento em que a vida na Terra estava dando o passo de organismos unicelulares a organismos multicelulares.

A LIGO sozinha observou outros dois eventos similares desde a primeira descoberta. A unidade européia, VIRGO, em Pisa na Itália, ingressou na LIGO em agosto de 2017 e anunciaram sua primeira descoberta colaborativa em 27 de setembro. Todos os três detectores observaram as mesmas ondas gravitacionais cósmicas em 14 de agosto de 2017.

Simulação numérica de uma fusão de buraco negro binário com massas e rotações consistentes com a terceira observação LIGO, chamada GW170104. A força da onda gravitacional é indicada por elevação e cor, com azul indicando campos fracos e amarelo, indicando campos fortes

Agora, Índia e Japão também estão construindo novos observatórios de ondas gravitacionais. Com vários experimentos localizados distantes, os pesquisadores devem ser capazes de identificar com precisão a origem da ondas gravitacionais.

Até agora, todos os tipos de radiação e partículas eletromagnéticas, como raios cósmicos ou neutrinos, nos deram conhecimento sobre o universo. As ondas gravitacionais, no entanto, são testemunho direto de distúrbios no próprio espaço-tempo. Isso é algo completamente novo e diferente, abrindo mundos invisíveis. Muitas descobertas aguardam aqueles que conseguem capturar ondas gravitacionais e interpretar sua mensagem.

 

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Leituras e Referências

[1]B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016

B. P. Abbott et al. GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2. Phys. Rev. Lett. 118, 221101 – Published 1 June 2017
science:Trio of detectors homes in on black hole sources of gravitational waves

science:Gravitational waves, Einstein’s ripples in spacetime, spotted for first time
phys.org: Ligo detects gravitational waves for third time
Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2017: The lase interferometer gravitational-wave observatory and the first direct observations of gravitational waves