Descobertas das ondas gravitacionais

Descobertas das ondas gravitacionais

Natália Venâncio

01 Março 2016 | 17h01

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Por Henrique Giannini, professor de Física do Colégio Marista Arquidiocesano

            Mesmo após quase 61 anos de sua morte, o nome de Albert Einstein volta a ser vinculado à confirmação mais importante da ciência na atualidade: a detecção das ondas gravitacionais. Propostas há exatos 100 anos pelo excêntrico gênio da física moderna, elas colaboraram para validar a sua Teoria da Relatividade Geral.

Revolucionário no meio científico desde a sua época, o físico alemão Albert Einstein, nascido em 14 de março de 1879, proporcionou através da criação da teoria da Relatividade Geral uma nova maneira para enxergamos e entendermos as interações gravitacionais presentes no Universo, apresentando diferenças significativas da visão até então utilizada, a de Isaac Newton, proposta no século XVII em sua teoria gravitacional. A teoria marca o início da visão da física moderna para o entendimento e o estudo das interações entre corpos de grandes massas, escondidos no céu noturno.

            Einstein e a Teoria da Relatividade Geral

Após formar-se no Instituto Politécnico de Zurique, Einstein teve grandes dificuldades para arranjar o seu primeiro emprego como professor assistente. Foi por intermédio do pai de seu amigo, Marcel Grossmann, que ele conseguiu ser efetivado como técnico de terceira classe em um escritório de Marcas e Patentes de Berna, em 1902. Foi neste cargo, aparentemente simples, que o renomado físico obteve satisfação pessoal pelo contato com a ciência, além de bastante tempo livre para criar as suas teorias.

Como consequência disso, Einstein publicou, em 1905, uma sequência de cinco artigos, marcando tão fortemente a história que o ano de publicação fora denominado o “ano miraculoso de Albert Einstein”. Em uma das teses mencionadas, apresenta a lei do efeito fotoelétrico, a qual lhe rendeu o prêmio Nobel de Física, em 1921.

Ainda no escritório de patentes, Einstein formulou a teoria da Relatividade Restrita, sendo que as suas ideias principais possibilitaram a criação da teoria que culminou na descoberta das ondas gravitacionais. Basicamente, para Einstein, nessa construção teórica, nós não vivemos em um mundo tridimensional, mas sim em um mundo quadrimensional, fragmentado em três dimensões espaciais (comprimento, largura e profundidade) e o tempo.

Em 1915, após 10 anos da criação da teoria da Relatividade Restrita, Einstein propõe a teoria da Relatividade Geral. Ela se baseia nas ideias sobre o espaço e o tempo apresentadas na teoria anterior e, principalmente, no Princípio da Equivalência, que evidência a equivalência entre sistemas acelerados e sistemas submetidos a campos gravitacionais, ou seja, não se pode distinguir se um corpo estará sob o efeito da gravidade ou se está sendo acelerado.

A partir destas ideias, Einstein propõe uma nova maneira de explicar as interações gravitacionais presentes no Universo (diferentemente de Newton, que considerava a interação entre corpos massivos devido à atuação de uma força de atração de maneira instantânea). Para ele, a gravidade é observada a partir da deformação no tecido quadrimensional, que é criada pela presença de um corpo massivo, sendo assim denominada deformação do espaço-tempo.

espaço

Crédito: https://www.ligo.caltech.edu

A figura acima ilustra a ideia da deformação do tecido espaço-tempo devido à presença de um corpo de grande massa, implicando ao corpo de menor massa apenas acompanhar essa deformação. Quanto maior a massa de um corpo, maior será a deformação causada no tecido quadrimensional.

Ondas gravitacionais

As ondas gravitacionais previstas por Albert Einstein há um século são oscilações do espaço-tempo que se propagam através do tecido quadrimensional. Estas são causadas por qualquer massa acelerada no Universo.

O evento extragaláctico, que criou as famosas ondas gravitacionais observadas, foi originado pela violentíssima fusão de um sistema binário de buracos negros, ocorrida em uma galáxia distante mais de um bilhão de anos-luz da Terra, e gerou um único buraco negro muito maior e muito mais massivo. A simulação deste singular evento pode ser observada na animação abaixo.

Fusão do sistema binário de Buracos Negros

Fusão do sistema binário de Buracos Negros – http://i.imgur.com/05u6iNa.gif

Crédito: Animation credit National Science Foundation, University of Michigan.
Os objetos interagiram entre si, perturbando a todo instante o tecido espaço-temporal por estarem acelerados. Essas oscilações viajaram mais de 1,2 . 1022 km até atingirem a Terra, fazendo-a também oscilar. Por se propagarem por uma distância tão longa, a intensidade dessas perturbações chega bastante enfraquecida até nós, dificultando a detecção da mesma. Abaixo, pode-se observar uma simulação deste evento, de maneira bastante exagerada.

 

Ondas gravitacionais atingindo a Terra

Ondas Gravitacionais atingindo a Terra: https://media.giphy.com/media/l4KhUjhoO6RC4UHhS/giphy.gif

Crédito: Massachusetts Institute of Technology – MIT

Experimento LIGO

Para detectar essas enfraquecidas perturbações que interagem com a Terra, foi criado o experimento LIGO (Laser Interferometer Gravitation-Wave Observatory), que é o maior observatório para o estudo e detecção de ondas gravitacionais, estimado em 620 milhões de dólares e projetado conjuntamente pelo MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) e pelo Caltech (Instituto de Tecnologia da Califórnia). Ele possui sensibilidade para identificar oscilações bem menores que o diâmetro de um próton, frequência em que são observadas as ondas gravitacionais.

Para detectá-las, construíram-se dois experimentos gêmeos, localizados a aproximadamente 3000 km de distância entre si, sendo um em Livingston (Louisiana) e o outro em Hanford (Washington), utilizando as propriedades da luz para identificar as ondas previstas por Einstein. Cada um dos experimentos funciona através da técnica de interferometria a laser, sendo enviados  feixes de laser por longos “braços” de 4 km de distância, dispostos perpendicularmente entre si, sendo refletidos após atingirem espelhos localizados no final de seus braços.

Pelo fato dos braços do experimento estarem dispostos em um ângulo de 90º entre si, a interação das ondas gravitacionais com a Terra faz com que um dos braços se encolha enquanto o outro se alonga, alternadamente. Isto faz com que os feixes percorram distâncias diferentes através dos braços, produzindo um padrão de interferência, a partir do qual se identificam as ondas gravitacionais. A simulação a seguir mostra o processo de detecção das ondas gravitacionais.

Simulação do funcionamento do LIGO: http://gfycat.com/AgreeableBreakableCopepod

Crédito: https://www.reddit.com

 

Nova maneira de observar o Universo

A confirmação da existência das ondas gravitacionais apresenta uma possibilidade totalmente nova de estudarmos e explicarmos os fenômenos presentes no Universo. As ondas previstas por Einstein são comparáveis ao som quando detectadas no experimento LIGO, possibilitando estudar a harmonia do Universo. As observações do cosmo sempre foram baseadas no estudo da luz, porém com essa nova confirmação será possível estudar também objetos como os buracos negros, completamente invisíveis até então.

 

Referências

– Einstein – Sua vida, seu Universo. Isaacson, Walter, 2007.

– Observações de ondas gravitacionais geradas pela fusão de um sistema binário de buracos negros. Sturani, Riccardo. Instituto de Física Teórica – UNESP.

– https://www.ligo.caltech.edu/

http://fisicanaveia.blogosfera.uol.com.br/2016/02/12/quer_entender_o_que_sao_ondas-gravitacionais/