Das ondas gravitacionais aos grávitons, passando pela detecção feita pelo LIGO
Autor: Jonas Floriano | Publicado: 2016-02-12T03:33:00-08:00


Este
é um momento muito importante para a Física. A equipe do LIGO (Laser Interferometer
Gravitational-Waves Observatory) anunciou ter detectado diretamente pela
primeira vez ondas gravitacionais. Mas afinal o que são ondas gravitacionais,
qual sua relevância na Física, como foi realizado o experimento de detecção e,
por último, o que o gráviton tem a ver com isso tudo? Ao longo do texto
abordaremos estas questões.



<!--[if !supportLists]-->1 &nbsp; 1 -&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->O que são ondas gravitacionais?



Ondas
gravitacionais foram previstas pela teoria da relatividade geral (TRG) de
Einstein em 1915. Como qualquer teoria cientifica, a TRG explicou de maneira
mais fundamental alguns vários fenômenos da Física da época e fez predições de
fenômenos a serem verificados. Entre estes está a predição de que sob a
influência do campo gravitacional a luz sofre alteração do seu percurso, já
verificada em 1919. Outra predição são as ondas gravitacionais. 

Para
entendermos o que são estas ondas, podemos fazer uma analogia direta com as
ondas eletromagnéticas. A teoria eletromagnética diz que qualquer corpo
carregado eletricamente, ao ser acelerado, irá emitir ondas eletromagnéticas,
ou radiação. Da mesma forma, a TRG prevê que qualquer corpo que tenha massa, ao
ser acelerado, irá emitir ondas gravitacionais. Ambas, ondas eletromagnéticas e
gravitacionais, são caracterizadas pela frequência e o comprimento de onda. As
equações de Maxwell da teoria eletromagnética descrevem as ondas eletromagnéticas.
Analogamente, as equações de Einstein da TRG descrevem as ondas gravitacionais.
Ao contrário destas últimas, sabemos que as ondas eletromagnéticas são
detectáveis há muito tempo. Por que motivo não havia sido detectado ainda ondas
gravitacionais?

A
razão para isso é que, comparado com a intensidade da interação
eletromagnética, a intensidade da interação gravitacional é extremamente fraca!
Isso leva ao fato de que um aparelho destinado a detectar ondas gravitacionais
deva ser muito sensível, de modo a poder captar os menores sinais destas ondas.
Os melhores candidatos a emitirem ondas gravitacionais detectáveis com os
instrumentos atuais são buracos negros, estrelas de nêutrons, supernovas, etc.
Além destes, o evento conhecido como Big Bang também é um candidato a ter
emitido ondas gravitacionais, por se tratar de uma concentração muito grande de
massa que se acelerou (explodiu) a uma taxa muito alta. Outra dificuldade é que
eventos que produzem ondas gravitacionais mensuráveis ocorrem com uma
frequência muito baixa.



<!--[if !supportLists]-->2 &nbsp; &nbsp;2-&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Qual a importância das ondas
gravitacionais?



A
primeira importância de se detectar ondas gravitacionais é obviamente que ela
comprova a solidez da teoria da relatividade geral no que ela se propõe a
explicar e seus conceitos básicos. No entanto, sua detecção tem um significado
muito mais relevante para a Física. Voltemos novamente à analogia com ondas
eletromagnéticas. O desenvolvimento tecnológico de instrumentos emissores e
detectores que utilizam ondas eletromagnéticas possibilitou a construção de
grandes telescópios, o que teve como consequência a observação de um Universo
até então desconhecido, além de possibilitar descobertas astronômicas de forma
indireta, como vários planetas que são descobertos fora do sistema solar. No
entanto, existe uma limitação física para a observação do Universo em tempos
remotos utilizando ondas eletromagnéticas. Durante os primeiros 300 mil anos
após o Big Bang estas ondas, ou fótons, ficaram presas a outras partículas,
pois a temperatura do Universo era muito alta, impedindo que os fótons se
desacoplassem do resto da matéria recém formada. Deste modo, é impossível
visualizar como era o universo durante este período, acarretando mais
especulação do que certezas durante os primeiros 300 mil anos do Universo.
Porém, prevê-se que ondas gravitacionais existam desde os primeiros segundos de
vida do universo, e sua detecção poderia ser muito útil para entender este
período. Mas não devemos confundir as ondas gravitacionais que foram detectadas
com aquelas do início do Universo. Como são fontes diferentes, as ondas geradas
também são diferentes, o que nenhum pouco diminui a importância da detecção
verificada pela equipe do LIGO. Com a detecção de ondas gravitacionais, uma
ampla janela se abre no que diz respeito a pesquisas observacionais do espaço.



<!--[if !supportLists]-->3 &nbsp; &nbsp;3 -&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->A detecção de ondas gravitacionais
pelo LIGO



O
objetivo da equipe do LIGO era detectar ondas gravitacionais através de um
interferômetro. Este equipamento, utilizado em muitas outras áreas da Física,
permite que um feixe de luz possa ser separado e, ao se recombinar, efeitos
possam ser verificados. Por exemplo: suponha que emitimos um feixe de luz e
através de um espelho semitransparente, metade da luz continua seu percurso e a
outra metade seja refletida em 90 graus, como ilustra a figura abaixo.









Se,
por algum motivo, o espelho 1 ficar a uma distância maior do espelho
transparente do que o espelho 2, poderá haver uma defasagem entre as duas
componentes do feixe original. Ao se recombinarem e serem detectadas no
anteparo, esta defasagem será observada através do que se chama franja de
interferência. 

A
suposição de que ondas gravitacionais distorcem o espaço-tempo (onde todas as
coisas do universo estão), levou os pesquisadores a terem a ideia de que, se em
algum ponto do universo ocorresse um evento que gerasse uma onda gravitacional,
esta distorção iria acarretar em uma leve diferença entre os caminhos
percorridos pela luz laser ao atingirem o espelho semitransparente e seria
observada como uma defasagem quando a luz se recombinasse. Obviamente que a
distorção seria extremamente pequena, e para isso os instrumentos deveriam ser
altamente sensíveis. Visando isso, os cientistas construíram um gigantesco
interferômetro, mostrado na figura abaixo.









O
interferômetro para observar ondas gravitacionais, localizado nos Estados Unidos,
é composto por dois detectores distantes 3000 quilômetros um do outro, que são
capazes de detectar uma variação (distorções no espaço-tempo) 10000 vezes menor
do que o núcleo atômico. Além disso, cada braço do interferômetro mede 4
quilômetros.



O
evento que deu origem à onda gravitacional detectada pelo LIGO foi a colisão
entre dois buracos negros. A teoria da relatividade geral prevê que um par de
buracos negros orbitando um ao outro perde energia emitindo ondas
gravitacionais. Embora previsto pela teoria, tal evento nunca havia sido
observado. A importância da detecção pode ser representada nas palavras de Kip
Thorne, um físico teórico especialista da área:



“Com esta descoberta, nós humanos
estamos embarcamos em uma maravilhosa nova busca: a busca por explorar o lado
deformado do Universo – objetos e fenômenos que são produzidos devido à
deformação do espaço. Buracos negros colidindo entre si e ondas gravitacionais
são os primeiros belos exemplos”&nbsp; 

(Tradução
do autor)



<!--[if !supportLists]-->4 &nbsp; &nbsp;4-&nbsp; &nbsp; &nbsp;<!--[endif]-->O que o gráviton tem a ver com
isso?



&nbsp;O gráviton é um elemento chave em
qualquer teoria física que tenha como objetivo unificar a gravidade com outras
interações da natureza, a saber, o eletromagnetismo, a interação forte e fraca.
Novamente, vamos fazer uma analogia. Como já dito, as ondas eletromagnéticas
são detectadas e usadas há muito tempo. Com o advento da mecânica quântica, no
começo do século passado, verificou-se que a energia não era transferida de
forma continua, mas sim de forma discreta, ou seja, em forma de pequenos
pacotes, conhecido como fótons. Fótons são, portanto, pequenas quantidades de
energia. A conclusão que se chegou é que as ondas eletromagnéticas, que
transportam energia, são então constituídas por fótons. Dizemos então que os
fótons são a quantização das ondas eletromagnéticas. Isto faz com que a teoria
eletromagnética e a mecânica quântica se conciliem.

Entretanto, a interação
gravitacional ainda não passou por este estágio, ou seja, a teoria da
relatividade geral, que explica interação gravitacional, é uma teoria clássica,
não quântica. Uma teoria que quantize a gravidade deve necessariamente
quantizar as ondas gravitacionais. Deste modo, os “pacotinhos” da interação
gravitacional deveriam existir. Embora ele não tenha sido detectado, seu nome é
gráviton.

Se formos pensar na ordem
cronológica do eletromagnetismo, devemos estar no caminho certo. Primeiro
detectamos as ondas eletromagnéticas e depois verificamos a existência dos
fótons.&nbsp; Assim, a detecção das ondas
gravitacionais pode ser um passo essencial na busca por uma teoria que unifique
todas as interações conhecidas da natureza.



Fonte:




https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20160211