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O que são as Ondas Gravitacionais?


         Em 14 de setembro de 2015, o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO, na sigla em inglês) fez história ao detectar, pela primeira vez, as primeiras ondas gravitacionais, oriundas da fusão entre dois massivos buracos negros, distantes cerca de 1,3 bilhão de anos-luz da Terra. Além de confirmar algo previsto por Einstein a mais de 100 anos, a detecção trouxe uma nova e fantástica forma para os astrônomos enxergarem o Universo. Aliás, nem o Einstein acreditava que teríamos tão cedo tecnologia suficiente para detectarmos tal fenômeno gravitacional!

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  ONDAS GRAVITACIONAIS

         Em 1916, o ano após a formulação final das equações de campo da Relatividade Geral, Albert Einstein encontrou que as equações linearizadas do campo-fraco tinha soluções de onda: ondas transversais de tensão espacial que viajam a velocidade da luz e geradas pelas variações do tempo do movimento quadrúpolo de massa da fonte. Em outras palavras, o brilhante cientista alemão previu que certos movimentos de objetos poderia causar pertubações no espaço que se espalhariam como ondas geradas quando alguém joga uma pedra em um lago, carregando energia e momento. Nesse sentido, tal fenômeno - só recentemente confirmado - ficou conhecido como Ondas Gravitacionais.


          Em certas condições específicas, tudo contendo massa pode gerar ondas gravitacionais à medida que o corpo que comporta essa massa se move de forma acelerada no espaço, ou seja, quando a curvatura do espaço-tempo muda e essas mudanças se movem para fora da sua fonte. Bastando estar acelerado, você, seu carro, um avião, etc., estarão gerando ondas gravitacionais. Porém, a maior parte das ondas gravitacionais são extremamente fracas, e para detectá-las com a nossa instrumentação, é necessário que o corpo se movendo nessas condições específicas seja muito massivo e estar em velocidades altíssimas. Por exemplo, uma bola de beisebol sendo arremessada estaria criando ondas gravitacionais que poderiam ser detectadas e inferir a existência da bola sem a necessidade de qualquer outro tipo de informação física. Porém, para que essas ondas sejam detectadas fora do estádio onde o arremesso foi dado, mesmo com os mais avançados instrumentos que possuímos, seria necessário que a pequena bola tivesse uma densidade de um buraco negro e que estivesse sendo arremessada em velocidades próximas da luz!


          Assim, podemos definir que ondas gravitacionais são pertubações no espaço-tempo criadas com significativa intensidade quando uma estrela colapsa e explode assimetricamente (supernova), quando supermassivos buracos negros se chocam - ou são formados -, no surgimento de estrelas de nêutrons, quando duas estrelas orbitam uma em torno da outra, ou qualquer outro fenômeno envolvendo corpos celestes que passam por ou geram mudanças bruscas no campo gravitacional no local onde tais eventos/ações ocorrem. Essas pertubações se propagam como ondas no espaço, se movendo à velocidade da luz (300000 km/s), comprimindo e esticando o espaço em seu caminho.

         Porém, os tipos de eventos que criam ondas gravitacionais de mínima intensidade estão bem distantes do nosso Sistema Solar, muitas vezes gerando apenas pequenas e fracas ondas, estas as quais, quando chegam à Terra, ficam bem difíceis de serem detectadas (por isso demoramos tanto tempo para fazer a primeira detecção). Cientistas também definiram quatro categorias de ondas gravitacionais com assinaturas vibracionais bem distintas: Ondas Gravitacionais Contínuas, Ondas Gravitacionais Compactas Binárias Inspirais, Ondas Gravitacionais Estocásticas e Ondas Gravitacionais de Estouro:

1. Ondas Gravitacionais Contínuas: São produzidas por um massivo objeto único girando, como uma extremamente densa Estrela de Nêutron. Quaisquer relevos ou imperfeições no formato esférico dessas estrelas irão gerar ondas gravitacionais à medida que a estrela gira. Se a taxa de rotação da estrela permanece constante, o mesmo acontece com as propriedades das ondas gravitacionais emitidas. Ou seja, a onda gravitacional é contínua em sua frequência e amplitude.

2. Ondas Gravitacionais Compactas Binárias Inspirais: São produzidas por pares em órbita de massivos e densos objetos - ´compactos´ - como Estrelas-Anãs-Brancas, Buracos Negros e Estrelas de Nêutrons. Existem três tipos de sistemas compactos binários: Estrelas de Nêutrons Binárias (BNS), Buracos Negros Binários (BBH) e Estrelas de Nêutrons-Buracos Negros Binários (NSBH). Cada tipo possui uma onda gravitacional característica, mas todas são formadas pelo mesmo mecanismo, chamado ´inspiral´. À medida que os pares de objetos muito densos orbitam um ao outro, ondas gravitacionais vão sendo emitidas, removendo parte da energia orbital do sistema (a qual é responsável por mantê-los afastados). Ao longo de muito tempo, durante o qual os objetos continuam orbitando um ao outro e perdendo energia, eles vão se aproximando mais e mais. Quanto mais próximos um do outro, mais rápido eles acabam orbitando, o que faz com que eles emitam mais e mais ondas gravitacionais e percam mais e mais energia. Assim, o destino é um só: elas irão acelerar cada vez mais ao encontro um do outro, até uma catastrófica colisão (como mostrado no vídeo abaixo, produzido pela NASA). Aliás, é dessa categoria que veio a primeira prova da existência das ondas gravitacionais, em 1974, quando astrônomos observaram que pulsares em um sistema binário estavam orbitando cada vez mais próximas uma da outra obedecendo perfeitamente às predições da Teoria da Relatividade.


3. Ondas Gravitacionais Estocásticas: São ondas gravitacionais aleatórias - ´estocásticas´ - sendo originadas a todo momento de fontes diversas, as quais são bem pequenas e difíceis de serem detectadas. Parte delas podem ter origem do Big Bang, o que as tornam muito importantes para melhor entendermos a origem do Universo.

4. Ondas Gravitacionais de Estouro: São ondas gravitacionais com propriedades totalmente desconhecidas para os cientistas no momento e, obviamente, ainda não detectadas. Elas podem ter origem de eventos cósmicos totalmente novos e possuírem comportamentos bem estranhos. O maior desafio é saber como detectar algo desse tipo, ou melhor, algo ´sem tipo´.

        As ondas gravitacionais detectadas pelo LIGO em 2015 foram geradas por dois buracos negros muito massivos que orbitavam um ao outro até se fundirem - na verdade, a fração de segundo final do evento, como pode ser visto em um gráfico na próxima seção. A massa total resultante ficou em torno de 60 vezes aquela do nosso Sol. O evento foi extremamente energético, liberando, em uma fração de segundos, 50 vezes mais energia em ondas gravitacionais do que todas as estrelas no Universo inteiro na forma de luz no mesmo período de tempo! Porém, as ondas que nos atingiram eram muito fracas depois de 1 bilhão de anos-luz de propagação e dispersão pelo espaço, e a diferença de comprimento sentida pelos braços do LIGO foi menor do que 1 milésimo de diâmetro do núcleo de um átomo!

        Aliás, as ondas gravitacionais podem causar efeitos em gigantesca escala próximo da fonte de origem. Em Março deste ano, astrônomos descobriram um supermassivo buraco negro que pode ter sido arremessado para fora do centro de uma distante galáxia devido ao poder dessas ondas, geradas durante o processo de fusão que originou o massivo corpo. Detectado pelo Hubble, o corpo com 1 bilhão de massas do nosso Sol é o mais massivo buraco negro já observado - através da sua emissão energética na forma de quasar - sendo expulso da sua galáxia, em uma velocidade altíssima, a qual permitiria uma viagem da Terra à Lua em questão de 3 minutos. Nessa velocidade, é esperado que o imenso buraco negro saia da galáxia em cerca de 20 milhões de anos, sendo que já viajou mais de 35 mil anos-luz (mais do que a distância do Sol até o centro da Via Láctea).




   COMO DETECTÁ-LAS?

          Quando uma onda gravitacional passa por qualquer lugar, ela espreme e estica o espaço, com tal ação associada a uma frequências de onda. O espectro das ondas gravitacionais cobre uma larga faixa de frequências, as quais necessitam de avançada instrumentação para detectá-las. Hoje, temos o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory/ Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser), o VIRGO  e, em breve, teremos operando o LISA (Laser Interferometer Space Antenna/Antena Espacial de Interferômetro a Laser), um projeto envolvendo a parceria entre a ESA (Agência Espacial Europeia) e a NASA. Em 14 de Agosto deste ano, ambos, LIGO e VIRGO, detectaram um sistema binário de buracos negros se fundindo, sendo a primeira vez que tal evento é detectado pelos dois ao mesmo tempo (posteriormente ambos detectaram ondas gravitacionais do processo de fusão de duas estrelas de nêutrons0.


    LIGO e VIRGO

         O LIGO e o VIRGO estão sendo continuamente aprimorados, conseguindo detectar frequências em torno de 10 Hz a 1000 Hz. O LIGO é formado por dois observatórios, um em Louisiana e um em Whashington. Cada observatório possui dois longos "braços" com mais de 4 km de extensão. Já o VIRGO é um interferômetro com braços de 3 quilômetros de comprimento construído próximo de Pisa, Itália, a partir da colaboração entre Franceses e Italianos, essa a qual, hoje, envolve 19 laboratórios com mais de 250 cientistas na França, Itália e também na Holanda, Polônia e Hungria. Uma onda gravitacional passando pela Terra faz com que o comprimento dos braços citados mude minimamente. Os observatórios usam lasers, espelhos (para criar múltiplas reflexões e ampliar as pequenas variações detectadas na leitura dos feixes de laser) e instrumentos extremamente sensíveis para detectar essas pequenas mudanças. Na animação abaixo - produzida pela NASA -, é mostrado como o mecanismo funciona.







    LISA

        Os observatórios instalados na superfície terrestre, devido aos seus tamanhos limitados, observam as ondas gravitacionais em uma porção específica do espectro de ondas gravitacionais. Nesse sentido, o LISA entra na jogada para detectar enormes objetos no Espaço criando ondas gravitacionais a menores frequências (0,1 mHz a 1 Hz).

         O LISA consiste em três instrumentos espaciais (em forma de satélites) separadas por milhões de milhas e marcando uma rota de dezenas de milhões de milhas - mais do que 100 vezes a distância da Terra à Lua - e orbitando atrás da Terra em relação à nossa órbita com o Sol. Esses instrumentos irão mandar feixes de lasers entre si, combinando os sinais em busca de assinaturas de ondas gravitacionais durante a distorção do espaço-tempo provocada por essas últimas.


        Com um detector tão grande quanto o tamanho da Terra, fica possível detectar ondas gravitacionais sendo produzidas pela órbita de buracos negros centenas de milhões de vezes mais massivos do que o nosso Sol. A precisão e sensibilidade do LISA será tão grande que permitirá medir mudanças de posição menores do que o diâmetro de um núcleo de hélio em uma distância acima de 1 milhão de milhas, ou, em outras palavras, uma deformação de 1 parte em 10^20 em frequências em torno de 1 milihertz.


    OUTROS

      Existem outras promissoras técnicas para detectar outras faixas de frequência das ondas gravitacionais que não podem ser observadas pelo LISA e pelo LIGO. No quadro abaixo temos algumas e os espectros de frequência que podem ser alcançados.



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   O QUE ELAS NOS CONTAM?

        Ontem tivemos a detecção da quinta assinatura de onda gravitacional desde a primeira detecção em 2015. Nesse caso, tivemos duas estrelas de nêutrons se fundindo e trazendo informações científicas de enorme importância (Astrônomos detectam a fusão entre duas estrelas de nêutrons a partir de ondas gravitacionais e eletromagnéticas resultantes do violento processo!).

        De uma forma simples e direta, ser capaz de detectar as ondas gravitacionais é uma nova e revolucionária maneira de ver o Universo. Antes da detecção das ondas gravitacionais, por exemplo, os buracos negros nunca tinham sido diretamente observados, sendo apenas inferidos por teorias, quasares e pelos efeitos gravitacionais impostos aos corpos próximos a eles. Com as ondas gravitacionais é possível:

1. Conversar com o cosmo com uma nova ferramenta, ou seja, as observações e confirmações de corpos como os buracos negros serão mais fáceis;

2. Reforçar ainda mais as teorias da relatividade;

3. Entender melhor sobre como funciona e o que é a gravidade;

4. Explicar melhor sobre os processo do Big Bang, além de detectar seu nascimento com mais detalhes;

5. Descobrir novos fenômenos no Espaço;

6. Ajudar a obter um dos maiores desafios da física moderna: unir todas quatro forças universais em um único modelo matemático (Nuclear Forte, Nuclear Fraca, Gravitacional e Eletromagnética). Isso era um dos maiores sonhos do Einstein e, até hoje, nem ao menos sabemos como elas funcionam em sua essência;

7. Destrinchar com maior detalhes a natureza de qualquer evento onde as forças gravitacionais são extremas, como os buracos negros (agora mais do que confirmados), supernovas e estrelas de nêutrons, além de localizarmos os mesmos em distâncias cada vez maiores.




 CONCLUSÃO

            Desde a quinta detecção de ondas gravitacionais, anunciada esta semana, sem sombra de dúvidas entramos em definitivo na Era das Ondas Gravitacionais, marcando um poderoso novo capítulo exploração do Universo na Astronomia. Não apenas reforçamos a Teoria da Relatividade de Einstein, mas também abrimos novas portas para o entendimento do Universo.





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REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.116.061102
  2. https://www.birmingham.ac.uk/research/activity/physics/astronomy/gravitational-wave/gravitational-waves-explained.aspx
  3. https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources
  4. https://www.gla.ac.uk/news/headline_530027_en.html
  5. https://spaceplace.nasa.gov/gravitational-waves/en/
  6. https://lisa.nasa.gov/
  7. https://www.energy.gov/articles/what-are-gravitational-waves
  8. https://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/nsf-s-ligo-has-detected-gravitational-waves
  9. http://www.saberatualizado.com.br/2016/02/detectadas-ondas-gravitacionais-no.html
  10. http://www.stfc.ac.uk/news-events-and-publications/features/gravitational-waves-everything-you-need-to-know/
  11. http://www.sciencemag.org/news/2017/02/ligo-doesn-t-just-detect-gravitational-waves-it-makes-them-too
  12. https://www.ligo.caltech.edu/page/what-are-gw
  13. https://www.ego-gw.it/public/about/whatIs.aspx
  14. http://www.virgo-gw.eu/