Sobre as tais Ondas Gravitacionais e o Cachorro Invisível de Einstein

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Imagine que você está na piscina. Você pega uma bola de praia (existe bola de piscina?). Agora puxe-a toda para dentro d’água. Coloque uma pessoa a uns 2 metros de distância. Mova a bola lentamente para frente e para trás… Ela (a pessoa) não sentirá nada. Em seguida repita o movimento mas bem mais rápido, com força em direção à pessoa. Ela sentirá a pressão da água gerada pelo movimento da bola.

Em essência isso são ondas gravitacionais. Só que em vez de distorções na água, elas são distorções no próprio tecido do espaço-tempo. O vácuo, o nada e tudo que ele contém. E a beleza nisso é que na experiência na piscina além da distorção na água você também está gerando ondas gravitacionais, só que pequetitas.

A Teoria Gravitacional de Newton trata gravidade como uma força, mas é somente uma aproximação, Einstein propôs uma Teoria onde a gravidade seria consequência da distorção do tecido do espaço-tempo causada pela massa dos objetos. Se abrirmos mão de uma dimensão, em um universo plano a gravidade seria representada assim:

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Neste vídeo um professor demonstra com Lycra e bolinhas a deformação do espaço-tempo causada por objetos com massa:


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Note que um objeto parado gera uma distorção espacial mas não uma onda gravitacional. Ilhas não causam ondas, terremotos sim. Em sua Teoria da Relatividade Geral Einstein previu que massa em movimento geraria ondas gravitacionais, e a beleza é que independe da quantidade. Se você balançar sua mão rápido, estará gerando ondas gravitacionais, mas com uma energia de um pentelhonésimo de micronada elevado a 10 multiplicado por menos coisa nenhuma.

Detectar ondas gravitacionais é algo muito complicado. Quer dizer, teoricamente não é, mas exige uma precisão imensa. Foi o que os futuros ganhadores do Nobel do LIGO — Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory fizeram.

Como funciona

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A instalação (na verdade são duas, Lousiana e Washington, separadas 3.000 km) conta com dois tubos de vácuo de 4 km de comprimento.

Um laser é emitido da estação central. O feixe é dividido por um espelho e vira dos raios perpendiculares. Filtros polarizadores garantem que as ondas são espelhadas. E por falar em espelho, no fundo dos tubos um espelho reflete os lasers de volta. Eles se encontram, se combinam e são direcionados para um detector, que se tudo correr bem não detectará… nada.

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O segredo aqui é uma propriedade de todas as ondas, de rádio, luz, até as ondinhas da sua banheira: ondas interferem com ondas. Se são idênticas, com a mesma fase (o pico das duas ondas ocorre no mesmo momento) elas se somam gerando uma onda de maior amplitude, mas se as fases forem invertidas elas… se anulam:

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O equipamento do LIGO é projetado para que os feixes de laser cheguem precisamente no mesmo momento. A única forma de alterar isso, fora a faxineira tirar o detector da tomada pra limpar atrás do emissor-laser é alterando a distância percorrida pelos feixes.

Fora acelerar o detector próximo da velocidade da luz, a alternativa seria distorcer o espaço-tempo em si. Em teoria uma onda gravitacional esticaria ou encolheria os túneis, e como são perpendiculares o efeito seria diferente em cada um.

O problema é que essas ondas são incrivelmente tênues. O suficiente para tirar os espelhos de posição por uma distância equivalente a 0,0001 vezes o diâmetro do núcleo de um átomo. Por isso o LIGO ficou 10 anos sem detectar nada. Depois de um upgrade foi inaugurado em setembro de 2015, bem a tempo de testemunhar uma catástrofe de proporções cósmicas.

1,3 bilhão de anos atrás dois buracos negros dos pequenos, formando uma entidade chamada GW150914 chegavam ao final de um balé cósmico de 1 bilhão de anos. Com massas equivalentes a 39 e 26 vezes a do Sol, os dois orbitavam um ponto entre os 350 km (não milhões, 350 km) que os separavam. Só isso já gerava ondas gravitacionais, mas gerar ondas requer energia.

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Como Tudo é Força mas só a Termodinâmica é Poder, essa energia precisava vir de algum lugar. Os buracos negros perdiam energia cinética, diminuíam a velocidade e aos poucos suas órbitas iam decaindo.

Isso mesmo, crianças, órbitas não são estáveis, ao girar em torno de uma estrela um planeta altera a estrutura do espaço-tempo, consome energia e sua órbita decai. Claro que no caso da Terra a energia perdida em ondas gravitacionais é pífia, a interação Terra-Sol gera um arrasto gravitacional que é convertido em ondas com potência de… 200 W.  A cada dia a órbita da Terra decai o equivalente ao diâmetro de um próton, e dos geração-saúde, não os sedentários.

Levaria mais tempo que a vida estimada do Universo pra isso se tornar um problema, mas com buracos negros próximos, o efeito é exponencial.

Nos últimos segundos os buracos negros estão girando a uma velocidade incrível, até que os horizontes de eventos se tocam e eles se fundem. Esse processo liberou uma quantidade de energia quase inconcebível. Por uma fração de segundo, 50× mais energia potência que a emitida por todas as estrelas do Universo (observável). O equivalente a 3 massas solares foi convertido em energia, isso rasgou o tecido do espaço-tempo, a força de 5 mil supernovas emitida em 0,2 segundos produziu uma onda gravitacional que, depois de 1,3 bilhão de anos; conseguiu ser captada por macacos pelados brincando com espelhos.

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Essas ondas desalinharam os espelhos em Hanford, esticando e comprimindo a própria estrutura do espaço. 10 milissegundos depois foram detectados pelas instalações em Livingston. Aqui uma simulação do evento:


SXS Collaboration — Warped Spacetime of GW150914

Qual a significância disso?

Até 1930 a única forma de observar o Universo era através de telescópios ópticos, então um sujeito chamado Karl Jansky conseguiu algo que até então era impossível, embora previsto desde o tempo de Maxwell, no Século XIX: corpos celestes emitem ondas de rádio.

A tecnologia precisou evoluir até sermos capazes de detectar esses sinais, e um novo campo se abriu. Hoje a radioastronomia é o alicerce de muito do nosso conhecimento.

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Como bem disse um robozinho sarcástico, até uns dias atrás Astrônomo de Ondas Gravitacionais era uma especialização totalmente cara-de-pau pra colocar no currículo, hoje é uma realidade. Embrionária, mas uma realidade, e a pesquisa do LIGO de quebra demonstrou que existem buracos negros binários, que eles podem se fundir e que buracos negros com massa acima de 25 sóis são uma realidade. Nada mau para um campo da ciência com alguns dias de idade e instrumentos equivalentes a barro fofo e pedra lascada.

Uma forma de evoluir isso é com detectores no espaço, separados por milhões de quilômetros isso nos dará uma precisão e resolução incríveis, poderemos detectar eventos tão insignificantes quando uma supernova pequena. Essa tecnologia está sendo testada neste exato momento (ok, a rigor começam 1º de março) por esta sondinha aqui:

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A LISA Pathinder se encontra a 1,5 milhão de km da Terra, no ponto Lagrange 1, uma região onde a gravidade do Sol e da Terra se anulam e é extremamente estável, tipo um mar de sargaços orbital, ou aquele desnível no piso do quintal onde a água sempre empoça.

O objetivo da LISA não é detectar ondas gravitacionais, mas testar se a tecnologia é viável. Para isso ela leva dois cubos idênticos, separados por 38 cm. Eles flutuarão, sem contato com a nave e permanecerão absolutamente estáticos. Um laser refletido entre os dois gerará dados de interferometria, igual ao experimento do LIGO, e os cientistas descobrirão se é possível fazer a tecnologia funcionar. Ninguém nunca construiu uma sonda com um cubo flutuante, onde a sonda se move para não encostar nele.

Se a LISA der certo, o próximo passo é a eLISA, e aí estaremos falando como gente grande.

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Esqueça o laser de 4 km do LIGO. Com uma constelação de 3 sondas, com lasers e telescópios a eLISA formará um triângulo com 5 milhões de quilômetros de lado. Com o LIGO nós ganhamos um novo sentido, novos olhos para ver o Cosmos. Com a eLISA ganharemos óculos.

Mais detalhes neste vídeo de novembro de 2015 e já totalmente desatualizado.


European Space Agency, ESA — LISA Pathfinder – Window on the gravitational universe

E quanto a Einstein?

Lamento informar aos amigos jornaleiros mas ele não “previu” nada. Vamos a uma analogia.

Newton espiou o quintal do vizinho, viu pegadas, deduziu que ele tinha um bicho, mas como ninguém conseguia ver, era invisível.

Einstein estudou as pegadas e deduziu que era um cachorro invisível, mas foi além. Por ser um cachorro ele deduziu que na casa deveria haver coleiras, ração, brinquedos, e cocô no quintal.

Entrando na casa encontraram brinquedos, ração, coleiras, cama quentinha, tudo que uma casa com um cachorro invisível teria. Cada objeto descoberto reforçava a existência do cachorro, do controle-remoto mordido ao cobertor babado no canto do quarto.

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Por muitos anos a única coisa que não haviam encontrado era o cocô, quase tão invisível quanto o cachorro, até que agora, finalmente splooosh. Alguém pisou em algo mole e quente, e gritou EurECA!

O cachorro é a gravidade, os brinquedos e objetos são coisas que usamos no mundo moderno, como celulares, e fenômenos como lentes gravitacionais e dilatação do tempo.

A Teoria da Relatividade Geral faz tempo que é comprovada, ela era um imenso quebra-cabeça montado (dica, é um veleiro) com uma pecinha faltando em uma das pontas. Só que cientistas são muito criteriosos com seus brinquedos e só se sentem confortáveis com todas as peças no lugar. A ponto da mera detecção indireta de Ondas Gravitacionais ter rendido o Nobel de Física de 1993 para Joseph Taylor e Russell Hulse. Essa agora do LIGO? Mais fácil aquela animação tosca brasileira ganhar o Oscar do que essa equipe não levar um Nobel.

Fonte: o paper original, biatch!

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Autor: Carlos Cardoso

Entusiasta de tecnologia, tiete de Sagan e Clarke, micreiro, hobbysta de eletrônica pré-pic, analista de sistemas e contínuo high-tech. Cardoso escreve sobre informática desde antes da Internet, tendo publicado mais de 10 livros cobrindo de PDAs e Flash até Linux. Divide seu tempo entre escrever para o MeioBIt e para seu blog pessoal, o Contraditorium,

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