Ondas Gravitacionais Finalmente Descobertas – Parte I

 

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Quando as ondas gravitacionais varrem a Terra, elas alternadamente esticam e comprimem os braços dos dois detectores do observatório LIGO Avançado, localizados em Hanford, estado de Washington (foto acima), e em Livingston, estado da Louisiana.

Por: Natalie Wolchover, em 11 de fevereiro de 2016

As ondulações no espaço-tempo causadas pela fusão violenta de dois buracos negros foram detectadas, 100 anos após essas “ondas gravitacionais” serem previstas pela Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein e metade de um século após os físicos terem decidido procurá-las.

Essa descoberta marcante foi relatada hoje pela equipe do Observatório Avançado de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO Avançado), confirmando os rumores que há meses têm rodeado as análises da primeira rodada de dados pelo grupo de pesquisadores. Os astrofísicos dizem que a detecção de ondas gravitacionais abre uma nova janela sobre o universo, revelando eventos distantes que não podem ser vistos por telescópios ópticos, mas que seus fracos tremores podem ser sentidos, e mesmo ouvidos, através do cosmos.

“Nós detectamos ondas gravitacionais. Nós fizemos isso!”, anunciou David Reitze, diretor-executivo da equipe de 1.000 membros do observatório LIGO Avançado, em uma conferência de imprensa na sede da Fundação Nacional de Ciências (National Science Foundation) hoje, em Washington, DC.

As ondas gravitacionais são, talvez, a previsão mais sutil da teoria de Einstein, que ele e seus contemporâneos debateram por décadas. De acordo com sua teoria, o espaço-tempo forma um tecido elástico que se curva sob objetos pesados, e sentir a gravidade é “cair” ao longo das curvas desse tecido. Mas, pode o tecido “espaço-tempo” ondular como a pele de um tambor? Einstein dava reviravoltas, confuso quanto às consequências de suas equações. Mas, mesmo firmemente crente no princípio por ele anunciado, ele considerou que, de qualquer forma, as ondas gravitacionais seriam demasiadamente fracas para serem observadas. Elas cascateariam para fora de determinados eventos cataclísmicos, alternadamente esticando e apertando o tecido “espaço-tempo”, à medida que se propagavam. Mas, quando essas ondas chegassem à Terra a partir destas fontes remotas, elas normalmente esticariam e espremeriam cada milha do espaço (1,4×103 m) por uma minúscula fração da largura de um núcleo atômico (10–14 m).

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Ondas gravitacionais alternadamente esticando e espremendo o “espaço-tempo”, tanto vertical como horizontalmente à medida que ela se propaga.

Se você acessar a seguinte página na internet verá a animação da figura acima, em oscilações verticais e horizontais, enquanto propaga-se:

https://www.quantamagazine.org/wp-content/uploads/2016/02/GravityWaves.gif.

Para perceber essas ondas foram necessários paciência e um toque delicado. No observatório LIGO Avançado feixes de LASER são emitidos e refletidos ao longo de dois braços de quatro quilômetro de comprimento em forma de L – um em Hanford, no estado de Washington, o outro em Livingston, no estado de Louisiana, distantes cerca de 3800 quilômetros – à procura de expansões e contrações coincidentes desses feixes em seusbraços causadas por ondas gravitacionais quando passam por eles. Usando estabilizadores em estado da arte, alto vácuo e milhares de sensores, os cientistas medem mudanças nos comprimento dos braços tão pequenos com um milésimo da largura de um próton  (largura estimada em 10–15 m), ocasionadas pela passagem das ondas gravitacionais pelo feixe de LASER. Essa sensibilidade era inimaginável há um século, e implausível para muitos em 1968, quando Rainer Weiss, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts concebeu aexperiência que se tornou o observatório LIGO.

“A grande maravilha é que finalmente elas apareceram; eles conseguiram detectar estes pequenos monstrinhos”, disse Daniel Kennefick, um físico teórico da Universidade de Arkansas e autor do livro de 2007, Viajando na Velocidade do Pensamento: Einstein e a Procura por Ondas Gravitacionais.

Essa detecção dá início a uma nova era da astronomia de ondas gravitacionais, em que se espera ter uma melhor compreensão sobre a formação, população e o papel galáctico dos buracos negros – bolas de massa super densas que curvam o tecido espaço-tempo de forma tão íngreme que nem mesmo a luz pode escapar deles. Quando os buracos negros espiralam um em direção ao outro e se fundem, eles emitem um “sinal”: ondulações no espaço-tempo que crescem mais em tom e amplitude antes de abruptamente desaparecerem. Os sinais que o LIGO Avançado pode detectar situam-se na faixa audível, embora eles sejam muito fracos para serem percebidos naturalmente pelo ouvido humano. Você pode recriar esse som deslizando o dedo ao longo do teclado de um piano. “Iniciar a partir da nota mais baixa no piano e ir para o meio C”, disse Weiss. “Isso é o que ouvimos.”

Áudio: O “sinal sonoro” das ondas gravitacionais gravadas pela equipe do LIGO avançado. (Para ouvir o som das ondas gravitacionais detectadas acesse a seguinte página:

https://www.quantamagazine.org/wp-ontent/uploads/2016/02/GravityChirp.mp3?_=1.

Os físicos estão surpreendidos com o número e a intensidade dos sinais detectados até o momento, o que significa que há mais buracos negros lá fora que o esperado. “Nós tivemos muita sorte, mas eu sempre contei que tivéssemos um pouco de sorte”, disse Kip Thorne, um físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, Caltech, que fundou o laboratório LIGO com Weiss e Ronald Drever, que também está no Caltech. “Isso geralmente acontece quando janelas completamente novas estão sendo abertas para o universo.”

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Vídeo: Uma simulação de dois buracos negros fundindo-se, e a emissão resultante da radiaçãogravitacional. Para assistir essa simulação, acesse a seguinte página:

https://www.youtube.com/embed/Q4E6VvDC6ug?rel=0&showinfo=0

A espionagem de ondas gravitacionais poderão reformular nossa visão do cosmos de outras maneiras, talvezdescobrindo acontecimentos cósmicos inimagináveis.

“Eu comparo isso com a primeira vez que apontamos um telescópio para o céu” (Galileu foi o primeiro a realizar tal façanha), disse Janna Levin, uma astrofísica teórica no Barnard College, da Universidade deColumbia. “As pessoas perceberam que havia algo lá fora que deveria ser visto, mas não previram a enormegama de incríveis possibilidades que existe no universo.” Da mesma forma, Levin disse, a detecção de ondas gravitacionais, eventualmente, poderão revelar que “o universo está cheio de material escuro que nós simplesmente não podemos detetar em um telescópio.”

A história da primeira detecção de ondas gravitacionais começou em uma manhã de segunda-feira em setembro, e iniciou-se com um estrondo: um sinal tão alto e claro que Weiss pensou: “Isso é uma porcaria. Isso não podeser bom.”

Agitação

A primeira onda gravitacional varreu os detetores do LIGO Avançado – primeiro em Livingston, e então em Hanford sete milésimos de segundo depois – durante um experimento de simulação nas primeiras horas do dia 14 de setembro passado, dois dias antes do início oficial de coleta de dados.

O observatório LIGO passou por aperfeiçoamentos e os seus detectores foram religados depois de cinco anos, após um gasto de 200 milhões de dólares com novos equipamentos – novas suspensões nos espelhos para o amortecimento de ruídos e um sistema de realimentação ativo para cancelar as vibrações estranhas em tempo real. Esses aperfeiçoamentos deram ao LIGO Avançado uma sensibilidade muito maior que o seu antecessor, “o LIGO Inicial”, que de 2002 até 2010 havia detetado “um bom zero limpo” – nenhuma onda gravitacional, conforme colocou Weiss.

Quando o grande sinal chegou em setembro, os cientistas na Europa, onde era manhã, freneticamente enviaram mensagens a seus colegas americanos. Assim que o restante da equipe acordou, a notícia rapidamente espalhou-se. De acordo com Weiss, praticamente todo o pessoal estava cético – especialmente quando eles viram o sinal. Era um silvo estridente que muitos suspeitaram que os dados tinham sido cortados.

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Fotos: A partir da esquerda: Um dos braços de quatro quilômetros do Observatório LIGO Avançado, em Livingston; a sala de controle e um diagrama esquemático dos detectores do “sistema óptico”.

Resultados equivocados na busca por ondas gravitacionais têm uma longa história, iniciando-se na década de 1960, quando José Weber, da Universidade de Maryland, pensou que havia observado ressonância em barras de alumínio em resposta à passagem de ondas gravitacionais incidentes. Mais recentemente, em 2014, um experimento chamado BICEP2 relatou a detecção de ondas gravitacionais primordiais – ondulações no espaço-tempo ocorridas no Big Bang, que teriam esticado o espaço-tempo e que permaneceram congeladas na geometria do universo. A equipe do BICEP2 veio a público com grande alarde antes de seus resultados serem revistos por outros pesquisadores, e, lamentavelmente, se “queimaram” quando foi confirmado que o sinal veiode poeira espacial.

Quando Lawrence Krauss, cosmologista da Universidade Estadual do Arizona, ficou sabendo da detecção doLIGO Avançado, “o primeiro pensamento é que havia ocorrido a injeção de um sinal de simulação”, ele disse.Durante o LIGO Inicial, sinais simulados foram inseridos secretamente nos fluxos de dados para testar a resposta, sem que a maioria da equipe tivesse conhecimento. Quando Krauss ouviu de uma fonte interna que não havia sido a injeção de um sinal simulado, ele, desta vez, mal pode conter sua agitação.

Em 25 de setembro, ele tuitou aos seus 200.000 seguidores: “Há rumor da detecção de ondas gravitacionais noobservatório LIGO. Incrível se for verdade. Eu publicarei detalhes se ele sobreviver.” Então, em 11 de janeiro: “O rumor anterior sobre a detecção do LIGO foi confirmado por fontes independentes. Fiquem ligados! As ondas gravitacionais podem ter sido descobertas!”

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A posição oficial da equipe foi manter silêncio sobre o sinal detectado até que eles estivessem absolutamente certos. Thorne, vinculado pelo voto de confidencialidade, sequer falou para a sua esposa. “Eu celebrava privadamente.”, ele disse. O primeiro passo da equipe foi analisar em detalhes excruciantes como o sinal tinha se propagado através dos milhares de diferentes canais de medição dos detectores, e ver se alguma coisa estranha acontecera no momento em que o sinal foi detectado. Eles não encontraram nada de anormal. Eles também descartaram a ação de ráquer, que teria de conhecer mais do que qualquer um deles acerca dos milhares de fluxo de dados do experimento. “Até mesmo a equipe que faz as injeções de sinais de simulação, que não as aperfeiçoaram o suficiente de forma a não deixar para trás um monte de impressões digitais”, disse Thorne. “E não havia impressões digitais.”

Outro sinal mais fraco apareceu nas semanas que se seguiram.

Os cientistas analisaram estes dois primeiros sinais, mesmo que outros tenham entrado, e eles submeteram seu artigo à revista científica Physical Review Letters em janeiro; o artigo foi publicado on-line hoje. A estimativa da significância estatística do primeiro e mais intenso sinal, está acima de “sigma-5”, o que significa que os cientistas estão 99,9999% certos que o fenômeno é real.

Créditos: Esse material foi gentilmente cedido pelo Prof Dr. José Carlos Parente de Oliveira.

Publicado em 13 de março de 2016, em Uncategorized. Adicione o link aos favoritos. Deixe um comentário.

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