Ondas gravitacionais
Uma onda é uma oscilação periódica em um determinado meio onde há uma
transferência de energia através do mesmo. Alguns tipos de ondas são: as ondas
mecânicas, cujo meio oscilante é um meio material, por exemplo, o som, onde a propagação
se dá nas moléculas de ar da atmosfera; ondas eletromagnéticas, cujo meio de
propagação é o campo eletromagnético, por exemplo, WiFi; e as ondas
gravitacionais, nosso objeto de estudo, cujo meio pelo qual se propaga é o
espaço-tempo. As ondas podem ser classificadas como transversais ou
longitudinais de acordo com a direção de sua vibração. As ondas transversais
oscilam perpendicularmente à direção de propagação, como uma onda em uma corda,
enquanto as longitudinais oscilam na mesma direção de propagação, como o som. Podem
também classificar-se como unidimensionais, bidimensionais ou tridimensionais
conforme suas direções propagação.
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| Representação esquemática de uma onda eletromagnética. |
Isaac Newton descreveu a gravidade matematicamente como uma força, e foi
capaz de explicar e prever o comportamento de alguns corpos conforme suas
condições iniciais. Esta é a chamada Teoria da Gravitação, que diz que a
interação gravitacional entre dois corpos é proporcional às suas massas e
inversamente proporcional ao quadrado da distância entre seus respectivos
centros gravitacional, com a proporção mediada por uma constante gravitacional
(G). Dada pela expressão:
Uma onda gravitacional é uma perturbação no “tecido” do espaço-tempo, provocada pelo movimento de objetos massivos. Todavia devido à limitação tecnológica, atualmente a sensibilidade dos instrumentos apenas é capaz de detectar ondas gravitacionais produzidas por eventos extremos, tal como a colisão de buracos negros e estrelas de nêutrons, que são objetos astronomicamente densos e massivos. A primeira detecção direta se deu pela colisão de dois buracos negros, a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz, com respectivas massas equivalentes a 36 e 29 massas solares. Durante a coalescência, iniciada na fase de inspiral, conforme giram em órbita em um sistema binário a distância entre eles em função do tempo diminui enquanto emitem ondas gravitacionais, suas velocidades aumentam e emitem mais ondas à medida que o sistema perde energia, cada vez mais próximos até que compartilhem do mesmo horizonte aparente (fase de fusão) enquanto caminham à iminente fase de ringdown. No intervalo entre a fase onde os buracos começam a se fundirem e a fase ringdown, são emitidas as ondas que podemos detectar. O buraco negro resultante ficou com 62M. A diferença de 3M foi convertida em ondas gravitacionais. As ondas gravitacionais não apenas distorcem o espaço, mas o espaço e o tempo.
A primeira detecção direta ocorreu no Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - LIGO (observatório de ondas gravitacionais por interferometria laser em português). O observatório possui dois centros, um em Washington e o outro em Louisiana, USA. Ambos são compostos por dois tubos absolutamente retos perpendiculares entre si. Na intersecção entre os tubos é posicionado um divisor de feixes, onde neste é incidido um laser o qual parte é refletida e direcionada a um tubo e a outra parte atravessa indo por outro tubo. No final de cada tubo há um espelho que reflete as ondas de luz, cada tubo com o mesmo tamanho. Quando ambos os raios voltam, eles se cruzam de tal forma que o sinal é cancelado. Como uma onda gravitacional que vai passando, à medida que estica o espaço, perpendicularmente o retrai, no LIGO resultará em um tubo maior que outro fazendo com que o sinal deixe de ser cancelado. O mesmo tem que acontecer nos dois observatórios, para que possamos saber se a causa da interferência não foi algum evento local, como um terremoto.
http://www.inpe.br/noticias/arquivos/pdf/LIGO_-_ScienceSummary_Portuguese.pdf
https://www.ligo.caltech.edu/
http://www.virgo-gw.eu/
onde
é a grandeza vetorial
cujo módulo representa a intensidade gravitacional entre os corpos M e m’.
Para
Newton, se o Sol fosse erradicado do universo, instantaneamente a Terra
assumiria um movimento retilíneo. Todavia mais à frente, um físico chamado Albert Einstein, considerando que nenhuma informação pode ser transferida mais rápido que a velocidade da luz no vácuo, contestou tal afirmação, levando mais à frente a uma mudança de paradigma e revolucionando a forma como vemos o universo.
Em 1915, quando Albert Einstein adicionou a gravidade à Teoria da Relatividade, publicando a Teoria da Relatividade Geral, concluiu que a gravidade era um empenamento na geometria do espaço-tempo acarretado pela presença de energia, que também pode manifestar-se como massa E = mc². Para Albert Einstein, o espaço é dinâmico e não absoluto, podendo expandir-se, contrair-se e curvar-se. A Teoria da Relatividade Geral abarca uma nova teoria de gravitação. A teoria de gravitação de Isaac Newton é uma aproximação boa o suficiente para levar um foguete, como
o Saturno V, à Lua, entretanto não é
exata e não funciona em sistemas com velocidades próximas à da luz tal como é
incapaz de explicar a órbita de Mercúrio e não explica o que é a gravidade, mas
simplesmente descreve como ela parece agir em condições limítrofes ao
cotidiano, enquanto a Relatividade Geral é mais precisa. Einstein não só
reformulou os conceitos de espaço, mas também de tempo, unificando ambos em uma
única estrutura quadridimensional que ele chamou de espaço-tempo. A gravidade não é apenas uma curvatura no
espaço, mas no espaço-tempo, provocada por sistemas com energia. Para Einstein,
ao erradicar o Sol do universo, a Terra não sairia de sua orbita antes mesmo do
último raio de luz chegar até ela, pois nada ultrapassa sua velocidade. A
órbita da Terra só sofreria qualquer mudança após cerca de 8 minutos e 19
segundos, o tempo necessário para que uma onda de luz percorra a distância Terra-Sol.
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| Representação pictórica do arqueamento na geometria do espaço-tempo |
Uma onda gravitacional é uma perturbação no “tecido” do espaço-tempo, provocada pelo movimento de objetos massivos. Todavia devido à limitação tecnológica, atualmente a sensibilidade dos instrumentos apenas é capaz de detectar ondas gravitacionais produzidas por eventos extremos, tal como a colisão de buracos negros e estrelas de nêutrons, que são objetos astronomicamente densos e massivos. A primeira detecção direta se deu pela colisão de dois buracos negros, a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz, com respectivas massas equivalentes a 36 e 29 massas solares. Durante a coalescência, iniciada na fase de inspiral, conforme giram em órbita em um sistema binário a distância entre eles em função do tempo diminui enquanto emitem ondas gravitacionais, suas velocidades aumentam e emitem mais ondas à medida que o sistema perde energia, cada vez mais próximos até que compartilhem do mesmo horizonte aparente (fase de fusão) enquanto caminham à iminente fase de ringdown. No intervalo entre a fase onde os buracos começam a se fundirem e a fase ringdown, são emitidas as ondas que podemos detectar. O buraco negro resultante ficou com 62M. A diferença de 3M foi convertida em ondas gravitacionais. As ondas gravitacionais não apenas distorcem o espaço, mas o espaço e o tempo.
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| Fases da coalescência de buracos negros, juntamente com o tipo de sinal emitido no processo. |
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Sinal detectado pelo consórcio Ligo, GW150914 (primeira onda
gravitacional detectada diretamente).
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A primeira detecção direta ocorreu no Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - LIGO (observatório de ondas gravitacionais por interferometria laser em português). O observatório possui dois centros, um em Washington e o outro em Louisiana, USA. Ambos são compostos por dois tubos absolutamente retos perpendiculares entre si. Na intersecção entre os tubos é posicionado um divisor de feixes, onde neste é incidido um laser o qual parte é refletida e direcionada a um tubo e a outra parte atravessa indo por outro tubo. No final de cada tubo há um espelho que reflete as ondas de luz, cada tubo com o mesmo tamanho. Quando ambos os raios voltam, eles se cruzam de tal forma que o sinal é cancelado. Como uma onda gravitacional que vai passando, à medida que estica o espaço, perpendicularmente o retrai, no LIGO resultará em um tubo maior que outro fazendo com que o sinal deixe de ser cancelado. O mesmo tem que acontecer nos dois observatórios, para que possamos saber se a causa da interferência não foi algum evento local, como um terremoto.
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a)
Esquema de um interferômetro a laser. b) Ilustração do efeito da passagem de
uma onda gravitacional sobre as distâncias entre pequenas massas em uma
configuração esférica (acima) e sobre o tamanho dos braços de um interferômetro
(abaixo).
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Se os braços do interferômetro possuem comprimento L, uma onda gravitacional de amplitude h provocará uma variação ΔL no tamanho do braço, onde ΔL = h x L. Portanto, quanto maior for o braço, maior será a variação de seu comprimento observada. O experimento LIGO é constituído por dois interferômetros com braços de comprimento de 4 km, localizados próximo às cidades de Livingston e Hanford, nos Estados Unidos.
Referencial Bibliográfico
http://www.inpe.br/noticias/arquivos/pdf/LIGO_-_ScienceSummary_Portuguese.pdf
https://www.ligo.caltech.edu/
http://www.virgo-gw.eu/
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