Ondas gravitacionais: Como elas revelam o universo

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Não é empolgante imaginar que estamos cada vez mais próximos de entender os segredos do universo? Em geral, é com esse intuito que os físicos e astrofísicos encaram longas jornadas de trabalho para encontrar descobertas, como a detecção das ondas gravitacionais, um marco para pesquisa e para o nosso entendimento da astrofísica.

As ondas gravitacionais são uma das maiores descobertas da astrofísica dos últimos anos. De fato, sua detecção, além de concordar com resultados da relatividade geral de Einstein ainda confirmou diversas predições da astrofísica teórica. Essas perturbações ecoam pelo universo não apenas interagindo com a gravidade mas, também, dando sinais de grandes fenômenos do cosmos, inclusive da colisão de buracos negros.

Então gurunauta, você já pode ver como esse assunto é um tema quente da atualidade. Entretanto, será que esse assunto pode impactar, de forma prática nossas vida? Seguindo essa ideia, nesse artigo nós vamos explorar esse tema e entender o que é e como essa descoberta irá revolucionar nossa percepção da realidade.

O que são as Ondas gravitacionais: as Ondas do universo

Antes de prosseguirmos e entendermos profundamente o assunto, vamos voltar no básico para compreender o que são as ondas gravitacionais. Em geral, elas são um tipo particular de onda que, mesmo propagando no vácuo, não é uma onda eletromagnética, uma vez que, essas ondas não geram campos elétricos ou magnéticos. Na verdade, elas são originadas pela interação gravitacional, sendo assim perturbações que ocorrem no próprio espaço-tempo e que se propagam com velocidade igual da luz.

Entendendo as ondas gravitacionais como tecidos e lençois

Por vezes, essa descrição pode parecer um pouco abstrata. Por conta disso, agora vamos pensar em uma forma mais simples de visualizar esse problema. Imagine um tecido esticado em todas as suas extremidades. Você deve saber pela sua própria experiência que é muito difícil você provocar uma perturbação efetiva nesse tecido/lençol. Uma vez que, ao estar completamente esticado, quaisquer ações realizadas nele são difícieis até mesmo de serem vistas. Logo, o que conseguimos ver é apenas algumas pequenas ondulações ao longo da sua estutura, conforme Figura 1.

Esquematização do tecido do espaço-tempo associado a deformação espaço-temporal causada por ondas gravitacionais.
Figura 1. Esquematização do tecido do espaço-tempo por um tecido que é distorcido por esferas massivas. Fonte: ESA/ LISA Pathfinder Collaboration. (2016). Spacetime curvature [Imagem]. Recuperado de https://sci.esa.int/web/lisa-pathfinder/-/56434-spacetime-curvature.

Gerando as ondas gravitacionais

Bom gurunauta, decerto, o modelo de tecidos e lençois perturbados ilustra bem o que são as ondas gravitacionais. Entretanto, no contexto da astrofísica, não será apenas balançar um pouco o tecido que teremos essas magníficas ondas, aqui precisamos presenciar os mais violentos e agressivos fenômenos da natureza. Fenômenos como a colisão de estrelas de nêutrons, a fusão de buracos negros ou a explosão de supernovas que são capazes de gerar ondas gravitacionais.

Isso ocorre, em suma, por esses corpos serem supermassivos, assim, os campos gravitacionais que são gerados por eles são muito intensos. Consequentemente, a intensidade desses campos produz essas perturbações no espaço-tempo. Todavia, essas perturbações ainda são muito difícieis de serem detectadas, uma vez que a interação gravitacional é muito fraca. Em virtude disso, é necessário que corpos supermassivos gerem tais fenômenos.

Encontrando as ondas gravitacionais com experimentos

Conforme vimos anteriormente, as ondas gravitacionais, mesmo sendo geradas por corpos e singularidades extremamente grandes, são muito sutis e quase impercepetíveis. Nesse sentido, a física experimental caminha para contornar esses obstáculos e conseguir o feito de registrar esses fenômenos.

Conhecendo o experimento LIGO – O primeiro descobridor!

Com efeito, é seguindo esse desafio que o experimento LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), localizado nos Estados Unidos foi criado. O experimento LIGO é composto por dois detectores idênticos, um localizado no estado de Washington e outro na Louisiana. Cada detector possui dois braços perpendiculares de 4 km de comprimento.

Esse experimento é baseada no princípio da interferometria a laser. Uma vez que o interferômetro é capaz de medir com extrema precisão as diferenças de comprimento entre os dois braços do detector, torna-se possível mensurar pequenas perturbações. Dessa forma, o trabalho de medir uma onda gravitacional que passa pelo detector passa a ser medir a distância entre os espelhos de cada braço do detector. Pois, quando a onda passa pelo experimento, ela vai comprimir e esticar o espaço-tempo, assim, alterando a distância entre os espelhos localizados nos braços do interferômetro. Consequentemente, isso provoca uma diferença de fase entre os feixos do laser e a partir disso é possível detectar a presença da onda gravitacional.

Fotografia do observatório Ligo nos EUA que detectou ondas gravitacionais pela primeira vez
Figura 2. Fotografia do observatório Ligo em Whashington – EUA. (crédito: www.ligo.org).

Com todo esse aparato, o LIGO foi capaz de detectar, pela primeira vez, as ondas gravitacionais em 2015. De fato, com sua precisão capaz de medir variações na ordem de um décimo de trilionésimo de metro as ondas gravitacionais, enfim, foram detectadas pela humanidade. Com isso, o experimento mostrou ao mundo mais um elegante fenômeno da natureza acontecendo. Ademais, a partir dos dados extraidos desse experimentos torna-se possível determinar a origem dessas ondas. Logo, podemos ainda distinguir de quais fenômenos de interação gravitacional elas são provenientes.

O estado da arte da detecção de ondas gravitacionais

Atualmente, o cenário sobre a detecção das ondas gravitacionais avançou de forma significativa. De fato, a primeira detecção de 2015 tornou-se evidentemente um marco, mas agora entra para mais um dos vários registros realizados pelo LIGO. Apenas esse experimento já detectou diversas outras ondas gravitacionais, incluindo a fusão de buracos negros e de estrelas de nêutrons.

Por outro lado, outros experimentos ao redor do mundo também surgiram com o objetivo de encontrar as ondas gravitacionais. Assim, além do LIGO, alguns observatórios de ondas gravitacionais foram construídos ao redor do mundo, como o Virgo na Europa e o KAGRA no Japão, criando uma rede global de detectores que pode ajudar a localizar e estudar eventos cósmicos ainda mais precisamente.

Como as ondas gravitacionais vão ajudar a astrofísica ?

Bom gurunauta, com toda certeza você já deve ver como esse assunto é empolgante e encantador. Todavia, até agora apenas falamos sobre as ondas gravitacionais de forma contemplativa e, claro, buscando entender o que são e os processos para encontrar esses fenômenos pelo cosmos. Entretanto meu caro leitor, com toda certeza esse assunto vai muito além da contemplação pela elegância do universo.

Tendo isso em vista, agora vamos buscar entender como essa descoberta, de um fenômeno tão distante pode trazer impactos reais na sociedade e, obviamente mudar o futuro da astrofísca.

A importância das ondas gravitacionais para a Física

Em suma, essa descoberta tem um grande potencial de revolucionar a forma como entendermos o universo e a sua existência. Essa ideia decorre do fato de que as ondas gravitacionais que detectamos já foram emitidas a vários anos atrás. Nesse sentido, ao passo que encontramos essas ondas estamos obtendo informações sobre fenômenos do passado e logo, podemos usá-los para buscar entender e reconstruir a história do universo. Assim, podemos compreender a formação de galáxias, planetas e de várias outras estruturas intergaláticas.

Além disso, essas ondas são uma consequência natural da teoria da relatividade geral de Einstein. Logo, ao estudar e medir essas ondas, os cientistas podem testar e aprimorar a teoria da gravidade, levando a uma melhor compreensão de como ela funciona em escala cósmica. Consequentemente, talvez até mesmo levando aos físicos a obtenção de novas teorias, inclusive para a gravidade quântica.

Os avanços tecnológicos causados pelas ondas gravitacionais

Buscar detectar as ondas gravitacionais levou os cientistas e pesquisadores a uma revolução na instrumentação científica. De fato, dada a necessidade do desenvolvimento de aparatos de observação suficientemente precisos várias formas de observação astronômicas começaram a emergir nesse contexto. Em particular, podemos citar os experimentos LIGO e VIRGO que comentamos anteriormente.

Consequentemente, tendo em mãos um novo aparato científico, podemos aplicar as tecnologias usadas na construção de experimentos como o LIGO e VIRGO para várias outras áreas da ciência. Portanto, essas tecnologias inovadoras podem melhorar significativamente a pesquisa científica.

Ademais, por se tratarem de ondas, a aplicação imediata das ondas gravitacionais se dá no setor das telecomunicações. De fato, essas ondas possuem uma capcidade de viajar por distâncias imensas sem alterar suas formas. Logo, se explorarmos essa característica podemos avançar nos meios de comunicação a longas distâncias, inclusive, obtendo uma forma de comunicação intergalática.

Últimas considerações

Em resumo, as ondas gravitacionais já estão trazendo mudanças significativas na forma como entendemos o universo e têm o potencial de impactar diversas áreas da ciência e da tecnologia. E por mais que isso pareça um tema de fifcção científica, temos na nossa frente o despontar da ciência e o avanço da humanidade na conquista da natureza.

Referências

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