Ondas gravitacionais: uma taxonomia Understand article

Traduzido por Pedro Augusto. As ondas gravitacionais foram previstas por Einstein – mas de onde vêm e que diferentes tipos podem existir no cosmos?

A escala das ondas gravitacionais é minúscula e enorme ao mesmo tempo. Enquanto as flutuações que causam são tão pequenas ao ponto de se tornarem quase indetetáveis, os seus comprimentos de onda podem ser vastos: muito, muito maiores do que nas mais familiares ondas eletromagnéticas – das ondas rádio aos raios X – usadas pelos astrónomos para observar o espaço.

Afinal, o que são ondas gravitacionais? Estas flutuações no espaço-tempo são produzidas cada vez que alguma massa acelera. Contudo, é improvável alguma vez detetar as ondas gravitacionais de fontes na Terra já que os objetos terrestres simplesmente não são massivos o suficiente ou não aceleram rápido o suficiente. Em vez disso, temos de procurar por sinais vindos de fontes cósmicas, onde as massas e os movimentos ocorrem numa escala astronómica.

Recentemente, a deteção de ondas gravitacionais produzidas por objetos celestes massivos tornou-se, finalmente, possível e estas podem, então, ser potencialmente usadas como uma ferramenta extra para a observação de eventos e de objetos no espaço – uma perspetiva excitante para os astrónomos de hoje

Ilustração que mostra o satélite LISA, parte de um futuro sistema de deteção de ondas gravitacionais que se localizará no espaço.
AEI/MM/exozet

O espetro de ondas gravitacionais

Como as ondas eletromagnéticas, as ondas gravitacionais também viajam à velocidade da luz. E, como o espetro eletromagnético, também o espetro gravitacional é extremamente largo, com diferentes partes classificadas de acordo com a frequência. Em geral, as frequências das ondas gravitacionais são muito mais baixas do que as do espetro eletromagnético (uns milhares de hertz, no máximo, comparados com os 1016 a 1019 Hz dos raios X). Consequentemente, têm muito maiores comprimentos de onda – desde umas centenas de quilómetros a, potencialmente, o tamanho do próprio Universo.

A gama de frequência de um sinal de onda gravitacional fornece informação sobre a sua fonte: quanto mais baixa a frequência, maior a massa envolvida. Também diz aos cientistas que tipo de detetor utilizar para olhar para que fonte, uma vez que o tamanho do detetor deve ser comparável ao comprimento de onda do sinal. A Figura 1 mostra a gama total das ondas gravitacionais, com as fontes que as produzem e todos os aparelhos necessários para a sua deteção a diferentes frequências.

Interferómetros gigantes na Terra como o LIGO (laser interferometer gravitational-wave observatory: observatório de ondas gravitacionais por interferometria laser) e o Virgo (em destaque em Arnaud, 2017) ) estão desenhados para a deteção de ondas gravitacionais no extremo superior da gama de frequências, de umas poucas dezenas de hertz a uns poucos quilohertz. Além disso, o projeto LISAw1 (laser interferometer space antenna: antena espacial de interfetrómetro laser), um grupo de interferómetros espaciais, tem lançamento planeado dentro de cerca de uma década. Utilizando princípios de design semelhantes aos dos detetores terrestres, o LISA vai cobrir frequências de ondas gravitacionais numa gama mais baixa (1–10-5 Hz). Ondas gravitacionais de baixa frequência perturbam a regularidade precisa dos flashes de ondas eletromagnéticas detetados de pulsares, fornecendo uma forma alternativa de deteção, desta vez na gama 10-6–10-9 Hz. Finalmente, ondas gravitacionais emitidas no Universo primitivo podem ter deixado uma ténue impressão no ruído cósmico de fundo. Este sinal está a ser procurado, por exemplo, pelo satélite Planck, na gama de frequências de ondas gravitacionais10-15–10-17 Hz. Os comprimentos de onda associados com estas extremamente baixas frequências são da escala do próprio Universo.

Figura 1: O espetro gravitacional. O eixo horizontal mostra a frequência (e o período da onda, que é o inverso da frequência) numa escala logarítmica, com cores representado o respetivo comprimento de onda (vermelho = mais longo, azul = mais curto). Os detetores mostrados são os que existem ou estão planeados, enquanto as fontes são as que se conhecem e das quais se espera que produzam ondas gravitacionais detetáveis.  Clique na imagem para ampliar. (adaptado de: https://lisa.nasa.gov)

Fontes de ondas gravitacionais

Entre a diversidade de fontes de ondas gravitacionais, demos um olhar breve a três que produzem ondas com frequências numa gama acessível a detetores terrestres.

Supernovas

Quando uma estrela gigante vermelha esgota o seu combustível nuclear, desaparece o balanço entre as reações nucleares (que afastam a matéria) e a gravidade (que atrai a matéria). A estrela colapsa até chegar à densidade da matéria nuclear (cerca de 1017 kg/m3), o que origina uma onda de choque que ejeta as camadas exteriores da estrela. Este fenómeno, chamado de supernova tipo-II, produz uma forte explosão de neutrinos e a emissão de luz que pode durar dias. Também ocorre uma explosão de ondas gravitacionais mas estas apenas serão detetáveis se a supernova ocorrrer na nossa galáxia ou muito próximo dela. Estes eventos são muito raros (uns poucos por século) mas acontecem: a supernova 1987A foi observada há 30 anos.

Sistemas compactos binários

Os objetos compactos são estrelas que concentram a sua massa num volume invulgarmente pequeno. Os mais compactos são os buracos negros: um com a massa do Sol tem um diâmetro de apenas 3 km. As estrelas de neutrões são outro tipo de objeto compacto: a gravidade encolhe-as tanto que os protões e os eletrões se juntam, formando neutrões.

Quando dois objetos compactos se orbitam mutuamente, a relatividade geral prevê que o sistema perca energia a pouco e pouco através da emissão de ondas gravitacionais. Consequentemente, o seu movimento acelera e os objetos aproximam-se. Embora esta fase de aproximação em espiral possa durar centenas de milhões de anos, há um forte pico na emissão de ondas gravitacionais nos momentos finais, antes dos dois objetos compactos se fundirem. As ondas gravitacionais de um evento destes foram detetadas pela primeira vez com sucesso em 2015.    

Ilustração que mostra (em baixo) o registo da primeira deteção de ondas gravitacionais por dois observatórios LIGO. O registo está alinhado com o progresso da junção dos buracos negros que produziram ondas em três fases (imagens do topo): 1 – aproximação em espiral; 2 – junção; 3 – ‘fim de toque’ quando termina a emissão de ondas gravitacionais.
LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)

Pulsares

Os pulsares são estrelas de neutrões magnetizadas e em rotação. Como faróis cósmicos, emitem um feixe de ondas eletromagnéticas numa frequência que é o dobro da da sua rotação e que pode ser detetado por rádio telescópios se a Terra estiver no caminho do seu varrimento. Em teoria, os pulsares devem também emitir ondas gravitacionais de forma contínua mas a respetiva intensidade depende da forma da estrela de neutrões (de quão esférica é) – objetos que são perfeitamente simétricos em relação aos seus eixos (como as esferas) não têm prevista qualquer emissão de radiação gravitacional. Como as outras estrelas, pensa-se que os pulsares serão quase esferas perfeitas e o facto de não terem sido ainda detetadas ondas gravitacionais de nenhum deles sugere que quaisquer irregularidades na sua superfície devem ser muito limitadas em tamanho.    

A deteção de ondas gravitacionais

A deteção de ondas gravitacionais é uma busca extrema: significa encontrar a mais pequena vibração que assinala que uma onda gravitacional passou, totalmente submergida em ‘ruído’ (as vibrações de todas as outras fontes). Na Terra, a rede mundial de detetores de tipo interferómetro que existe neste momento inclui quatro instrumentos: dois detetores LIGO nos EUA, o Virgo na Itália e o GEO-600 na Alemanha. Um quinto detetor (KAGRA, no Japão) estará disponível no final desta década enquanto existem planos para construir um terceiro detetor LIGO na Índia durante a próxima década.

Nenhum detetor pode almejar, sozinho, a deteção de ondas gravitacionais: estas devem ser detetadas por, pelo menos, dois detetores, caso contrário a frequência de alarmes falsos – deteções falsas devido ao ruído – seria, simplesmente, demasiado alta. Por esta razão, todos os dados registados dentro de uma rede são analisados em conjunto, em busca de sinais que coincidam no tempo e sejam semelhantes em cada instrumento.

Figura 2: as primeiras três deteções de ondas gravitacionais em (do topo) 14 de setembro de 2015, 26 de dezembro de 2015 e 4 de janeiro de 2017, todas produzidas pela junção de buracos negros. Como os registos mostram, cada sinal cresce gradualmente e decai rapidamente assim que a junção acontece. O eixo horizontal mostra o tempo desde o início da deteção de cada sinal enquanto os três eixos verticais mostram as pequeníssimas distorções fracionais registadas.
LIGO Scientific Collaboration e Virgo Collaboration
 

A deteção de ondas gravitacionais em 2015 (ver Kwon, 2017) e em 2017w2, geradas pela junção de dois buracos negros (ver Figura 2), abriram uma nova janela para o Universo – e uma nova era na Astronomia. Os sinais de ondas gravitacionais complementam agora as sondas que os cientistas já utilizavam para observar o cosmos, incluindo os telescópios que pescrutam o céu em diferentes partes do espetro eletromagnético. A informação é trocada em ambas as direções: quando um potencial sinal de onda gravitacional é detetado, um alerta é enviado para telescópios que podem rapidamente observar a região que se pensa conter a fonte do sinal – se o mesmo for real. E os telescópios podem pedir aos detetores de ondas gravitacionais para procurar pelas contrapartes dos eventos que detetam.

Assim, a deteção de ondas eletromagnéticas, partículas e ondas gravitacionais da mesma fonte é agora uma possibilidade realista. E quantos mais dados temos sobre uma fonte mais profundo pode ser o nosso conhecimento da mesma.

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References

Web References

  • w1 – Saiba mais sobre o projeto LISA.
  • w2 – Para saber mais sobre a terceira deteção de onda gravitacional, leia o sumário no  site do LIGO.

Resources

  • Saiba mais sobre a recente terceira deteção de onda gravitacional:
  • Leia sobre como os astrónomos usam diferentes ondas eletromagnéticas para estudar o cosmos na série ‘More than meets the eye’ do Science in School. Por exemplo:

Author(s)

Nicolas Arnaud é um físico do francês Centro Nacional de Investigação Científica (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS). Depois de completar um doutoramento sobre a construção da experiência Virgo, trabalhou em Física de Partículas durante uma década antes de se voltar a juntar ao Virgo em 2014. Desde setembro de 2016 que tem trabalhado no European Gravitational Observatory na Itália, no local do detetor Virgo. Esteve envolvido em várias atividades educativas e de divulgação desde 2003 e coordena algumas destas a nível nacional.


Review

Depois da recente excitante deteção de uma terceira onda gravitacional, este artigo dá-nos um excelente panorama do que são as ondas gravitacionais, como são geradas no espaço e como funcionam os respetivos detetores. É um bom artigo tópico, na altura certa.

Questões de compreensão neste tópico poderiam incluir:

  • O que são as ondas gravitacionais?
  • Porque é tão difícil a deteção de ondas gravitacionais?
  • Como funcionam os detetores de ondas gravitacionais?
  • Descreva o espetro gravitacional e discuta em que aspetos é diferente do espetro eletromagnético.
  • Que objetos espaciais originam ondas gravitacionais? Descreva tais objetos.
  • Para a deteção de uma onda gravitacional é necessário um mínimo de dois detetores. Porquê?
  • Há vários detetores na Terra. Quais são os seus nomes e onde se localizam?

Gerd Vogt, professor de Física, Higher Secondary School for Environment and Economics, Áustria




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