ONDAS GRAVITACIONAIS
Autor: Regina Lanhelas | Publicado: 2016-02-15T19:09:00-02:00










Há 100 anos, Albert Einstein previu a existência de ondas gravitacionais como parte de sua Teoria Geral da Relatividade.

Durante décadas, os cientistas vinham tentando, sem êxito, detectar essas ondas – fundamentais para "tentar" entender as leis que regem no Universo.

Isso até esta última quinta-feira (11/02)- um dia que já vem sendo considerado histórico, já que um grupo de cientistas de vários países anunciou ter conseguido detectar pela primeira vez as chamadas ondas gravitacionais.

O que exatamente são ondas gravitacionais?

Segundo a teoria de Einstein, todos os corpos em movimento emitem essas ondas que, como uma pedrinha que afeta a água quando toca nela, produz perturbações no espaço.

A Teoria da Relatividade de Einstein é um pilar da física moderna que transformou nosso entendimento do espaço, do tempo e da gravidade. E por meio delas entendemos muitas coisas: da expansão do Universo até o movimento dos planetas e a existências dos buracos negros.

Essas ondas gravitacionais são basicamente feixes de energia que distorcem o tecido do espaço-tempo, o conjunto de quatro dimensões formado por tempo e espaço tridimensional.

Assim, qualquer massa em movimento produz ondulações nesse tecido tempo-espaço. ATÉ NÓS MESMOS.

A descoberta das ondas gravitacionais representa os primeiros passos nos estudos do espectro das ondas de gravidade, que existem independentemente da luz, examinando diretamente os efeitos da gravidade, uma vez que ela se espalha por todo o cosmos.

E Einstein previu que o Universo estava inundado por essas ondas. Esse efeito, no entanto, é muito fraco, e apenas grandes massas, movendo-se sob fortes acelerações, podem produzir essas ondulações em um grau razoável.

Assim, quanto maior essa massa, maior é o movimento e maior são as ondas. Nessa categoria entram explosões de estrelas gigantes, a colisão de estrelas mortas superdensas e a junção de buraco negros. Todos esses eventos devem radiar energia gravitacional na velocidade da luz.

Os pesquisadores trabalhavam há anos para detectar as minúsculas distorções causadas quando as ondas gravitacionais passam pela Terra. Os detectores nos Estados Unidos – localizados no Ligo – e na Itália (conhecido como Virgo) são ambos formados por dois túneis idênticos em forma de L, de 3 km de largura.





Nele, um feixe de laser é gerado e dividido em dois – uma metade é disparada em um túnel, e a outra entra pela segunda passagem.

Espelhos ao final dos dois túneis rebatem os feixes para lá e para cá muitas vezes, antes que se recombinem. Se uma onda passa pelo túnel, ela vai distorcer levemente seu entorno, mudando a longitude dos túneis em uma quantidade diminuta (apenas uma fração da largura de um átomo).

E a forma com que as ondas se movem pelo espaço significa que um túnel se estira e outro se encolhe, o que fará com que um raio laser viaje uma distância levemente maior, enquanto o outro fará uma viagem mais curta.

Como resultado, os raios divididos se recombinam de uma maneira diferente: as ondas de luz interferem entre si, em vez de se cancelarem. Essa observação direta abre uma nova janela para o cosmos, uma janela que não seria possível sem Einstein.

E qual a implicação disso?

Os objetos também emitem essas perturbações que acabaram de ser detectadas, mas a partir de agora os físicos poderão olhar os objetos com as ondas eletromagnéticas e escutá-los com as gravitacionais.

“Agora, o que se tem são sentidos diferentes e complementares, para estudar as mesmas fontes. E com isso, podemos extrair muito mais informações”, disse à BBC Mundo, Alicia Sintes, do departamento de física do Instituto de Estudos Espaciais da Catalunha, na Espanha, que participou do projeto.

“Não estamos falando de expandir um pouco mais o espectro eletromagnético, mas de um espectro totalmente novo.”

A especialista afirma que as ondas eletromagnéticas dão informações do Universo quando ele tinha 300 mil anos de idade.

“Já com as ondas gravitacionais, pode-se ver as (ondas) que foram emitidas quando o Universo tinha apenas um segundo de idade.”

É isso que será possível estudar a partir de agora.

Outro impacto diz respeito aos buracos negros: nosso conhecimento sobre a existência deles é, na verdade, bastante indireto. A influência gravitacional nos buracos negros é tão grande que nem a luz escapa de sua força. Mas não podemos ver isso em telescópios, só pela luz da matéria sendo partida ou acelerada à medida que chega muito perto de um buraco negro.

Já as ondas gravitacionais são um sinal que vem desses objetos e carrega informações sobre eles. Nesse sentido, pode-se até dizer que a recente descoberta significa a primeira detecção direta dos buracos negros.




[A teoria geral da relatividade, criada por Einstein, explica como a gravidade opera em grandes dimensões, em estrelas e galáxias. 

Já a mecânica quântica explica como as leis da Física operam no extremo oposto, nas subpartículas atômicas.




Durante várias décadas, essas duas teorias só funcionavam nos próprios campos, o pequeno e o grande. Quando cientistas tentavam juntá-las - o que é indispensável, por exemplo, para entender o que se passa no centro de um buraco negro -, as equações se estilhaçavam.

AS SUPERCORDAS surgiram como uma nova e fundamental entidade, a base para tudo o que existe no Universo. Já faz algum tempo que conhecemos os átomos e também as partículas_subatômicas, como os elétrons, que giram ao redor dos núcleos, e os prótons, que integram o núcleo dos átomos.  Conhecemos também algumas partículas subnucleares, como os quarks, que habitam os nêutrons e prótons. Mas é aí que o conhecimento convencional empaca. A teoria das supercordas diz que existe algo menor e mais fundamental: dentro dos quarks, da mais ínfima partícula subatômica, existe um filamento de energia que vibra como as cordas de um violino. E são os diferentes padrões de vibração dessas cordas que determinam a natureza de diferentes tipos de subpartículas. Isso permitiria unificar a teoria geral da relatividade com a mecânica quântica.]


Qual o efeito causado por essas ondas na Terra?

Quando as ondas gravitacionais passam pela Terra, o tempo-espaço que nosso planeta ocupa deve se alternar entre se esticar e se comprimir.

Pense em um par de meias: quando você as puxa repetidas vezes, elas se alongam e ficam mais estreitas.

Os interferêmetros do Ligo, aparelhos usados para medir ângulos e distâncias aproveitando a interferência de ondas eletromagnéticas, vêm buscando esse estiramento e compressão por mais de uma década.

A expectativa era a de que ele detectaria distúrbios menores do que uma fração da largura de um próton, a partícula que compõe o núcleo de todos os átomos.








Qual pode ser o impacto dessa descoberta?

É fácil especular que as maiores revelações virão de áreas cujas dúvidas sequer foram levantadas. Sempre foi esse o caso quando novas técnicas de observação são descobertas.



Mas considere agora só a Teoria da Gravidade.&nbsp;Por mais brilhante que Einstein fosse, sabemos que suas ideias estão incompletas.

&nbsp;&nbsp;




A teoria da Relatividade descreve o Universo muito bem em escalas amplas. Mas, para domínios menores, temos de recorrer a outras teorias.

Assim, não há uma quantificação da Teoria da Gravidade. Para chegarmos lá, temos de investigar lugares com gravidade extrema: os buracos negros.

É lá que rotas para explicações mais complexas podem ser encontradas, nos desvios que as ondas gravitacionais mostraram.




O que são buracos negros?
Numa abordagem da física clássica, buracos negros são objetos celestes com massa muito grande - alguns deles com centenas de vezes a massa do Sol - que ocupam um espaço muito pequeno. Seu campo gravitacional é tão intenso que nem mesmo a velocidade da luz é maior do que a sua velocidade de escape. Com isto, a luz que entra em um buraco negro não pode mais sair, fazendo com que este não possa ser observado pelas técnicas usuais que analisam a luz emitida ou refletida pelos objetos celestes.






E o que é velocidade de escape?

Chamamos de velocidade de escape aquela cuja intensidade é suficiente para que um objeto possa “escapar” da atuação do campo gravitacional. A velocidade de escape na superfície de Terra é de aproximadamente 11,2 km/s; para que um objeto possa se libertar da atuação da gravidade de nosso planeta, precisa ser lançado com velocidade maior que esta.

Se um buraco negro não pode ser visto, como ele é detectado?

A observação de um buraco negro acontece de forma indireta, pois o que se pode ver são os efeitos que ele causa nas regiões próximas. Devido o seu imenso campo gravitacional, os outros corpos tendem a ser atraídos por ele. Medindo a velocidade com que os objetos se deslocam em sua direção nas regiões vizinhas é possível descobrir sua massa.

Quando um buraco negro absorve matéria dos corpos que estão próximos, esta matéria vai sendo comprimida, esquenta significativamente e emite grande quantidade de radiação&nbsp;em raios-X. As primeiras detecções dos buracos negros foram feitas com sensores que captavam esta emissão de raio-X.
Já foram observados fortes indícios de que existam buracos negros supermassivos no centro de algumas galáxias espirais, inclusive alguns cientistas acreditam que exista um destes buracos negros no centro de nossa galáxia, a Via Láctea.

Para percebermos a natureza destes objetos, é necessário compreender então, os tipo de buracos negros.

Os buracos negros super-maciços,(quazares), ao contrário dos buracos negros estelares (que se podem formar, juntamente com as estrelas de neutrões, após a morte de uma estrela de massa superior a 3 massas solares), têm origem nos primórdios do Universo, de uma forma ainda não muito consensual, quando um movimento caótico de matéria formou regiões de maior densidade. A origem destes buracos negros pode ser semelhante à origem das galáxias.
Existem duas hipóteses para explicar sua existência. A mais aceita afirma que são buracos negros gigantes, presentes no centro de galáxias.

&nbsp;Acredita-se também que os buracos negros mais próximos já tenham sido quasares e estariam escuros porque o material que os envolvia e alimentava escasseou. Uma outra tese&nbsp;diz que os quasares seriam uma alta concentração de estrelas de massa enorme – 15 a 20 vezes maior que a do o Sol –, explodindo na freqüência de uma por semana.





Quazar
O nome “quasar” – uma abreviação de “fonte de rádio quase estelar” em inglês.&nbsp;é um objeto astronômico distante e poderosamente energético com um núcleo galáctico ativo, de tamanho maior que o de uma estrela, porém menor do que o mínimo para ser considerado uma galáxia. Quasares foram primeiramente identificados como fontes de energia eletromagnética (incluindo&nbsp;ondas de rádio e luz visível) com alto desvio para o vermelho (redshift), que eram puntiformes e semelhantes a estrelas, em vez de fontes extensas semelhantes a galáxias. Essa&nbsp;descoberta sugere que os quasares – os núcleos brilhantes das galáxias ativas – podem frequentemente sediar dois buracos negros supermassivos centrais que giram um ao redor do outro, como resultado da fusão entre duas galáxias. Como um par de patinadores, a dupla de buracos negros gera enormes quantidades de energia, o que faz com que o núcleo da galáxia hospedeira ofusque o brilho da população de bilhões de estrelas da galáxia. São os maiores emissores de&nbsp;energia do Universo. Um único quasar emite entre 100 e 1000 vezes mais luz que uma galáxia inteira com cem bilhões de estrelas.




Acredita-se que a energia dos quasares resulte da acreção de material em buracos negros supermassivos no núcleo de galáxias distantes, tornando-os uma versão luminosa de uma classe mais geral de objetos conhecidos como galáxias ativas. Como a luz não pode escapar do buraco negro supermassivo no centro dos quasares, a energia que escapa está sendo gerada do lado de fora do horizonte de eventos pelo estress gravitacional e intensa fricção no material que está caindo.&nbsp;Enormes massas centrais (106 a 109 massas Solares) foram medidas em quasares usando mapeamento de reverberação. Várias dezenas de galáxias próximas, que não apresentam sinais de um núcleo quasar, apresentam sinais de um buraco negro central semelhante em seus núcleos, por isto acredita-se que todas as galáxias maiores contém um, mas somente uma pequena fração emite radiação poderosa e são vistas como quasares. A matéria que está acrescendo ao buraco negro não cai diretamente, mas tem algum momento angular, em sua maioria, que fará com que se concentre em um disco de acreção. Os quasares também podem ser disparados ou re-disparados em galáxias normais quando elas fundem com uma nova fonte de matéria. Há uma teoria de que um quasar possa ser formado quando a galáxia Andrômeda colidir com nossa Via Láctea, em aproximadamente 3 a 5 bilhões de anos


No entanto, este sugar de matéria não é um processo instantâneo, nenhuma estrela é “engolida inteira”. A matéria e as estrelas começam a ser puxados como “fios de esparguete” e formam um círculo espiral em torno do buraco negro. Este disco de acreção vai percorrendo o caminho em torno do buraco negro até terminar definitivamente no seu interior. Este disco de acreção, gira a grandes velocidades, fazendo com que a sua temperatura seja superior às temperaturas das estrelas mais quentes do Universo, emitindo também raios X e outras formas de radiação electromagnética – &nbsp;a origem do intenso brilho destes buracos negros

Além disso, a densidade deste disco de acreção é tão forte, que a radiação não consegue escapar naturalmente. Assim, é formado um feixe ao longo do eixo do disco, onde as partículas subatômicas são aceleradas e formam um enormíssimo jacto de matéria que se pode estender a milhares de anos luz de comprimento. Em torno do disco de acreção forma-se também um anel de poeira, a que se chama toróide, aquecido pela emissão de microondas provenientes do disco de acreção. O toróide, por sua vez, reemite esta radiação em comprimentos de onda mais elevados.

O quasar que parece ser mais brilhante no céu é 3C 273, na constelação de Virgem. Ele tem uma magnitude aparente de 12,8 (brilhante o suficiente para ser visível através de um telescópio médio, mas tem uma magnitude absoluta de -26,7. De uma distância de 33 anos luz, este objeto brilharia no céu tanto quanto nosso Sol. A luminosidade deste quasar é, portanto, cerca de 2 bilhões de vezes mais brilhante que nosso Sol, ou cerca de 100 vezes o total da luminosidade de uma galáxia gigante média como a nossa Via Láctea. Entretanto, este valor assume que o quasar esteja emitindo energia em todas as direções. Um núcleo galático ativo pode ser associado com um jato poderoso de matéria e energia, não precisa estar irradiando em todas as direções. Em um Universo contendo centenas de bilhões de galáxias, a maior parte delas já teve um núcleo ativo bilhões de anos atrás e devem ser vistas localizadas a bilhões de anos luz de distância, é estatisticamente certo que milhares de jatos de energia estão apontados para nós, alguns mais diretamente que outros. Em muitos casos pode ser que quanto mais brilhante o quasar, mais diretamente seu jato está apontado para nós.

O quasar hiper luminoso APM 08279+5255&nbsp;, quando foi descoberto em 1998, uma magnitude absoluta de -32,2, apesar da imagem de alta resolução do Hubble Space Telescope e do Telescópio Keck de 10 m revelarem que o sistema sofreu os efeitos de uma&nbsp;lente gravitacional. Um estudo da lente gravitacional neste sistema sugere que ele foi ampliado por um fator próximo a 10. Ele ainda é muito mais luminoso que os quasares próximos, como 3C 273.





Outra descoberta na galáxia Markarian 231 na constelação da Ursa Maior. O nome estranho deve-se ao fato de ser a número 231 num catálogo de galáxias com excesso de emissão de radiação ultravioleta, compilado pelo astrônomo armênio Benjamin Markarian, na década de 60 do século passado. Sabe-se hoje que estas galáxias contêm quasares nos seus núcleos e que são extremamente luminosas. Um quasar é composto por um buraco negro super-maciço (com milhões ou mesmo milhares de milhões de massas solares) e a sua região circundante, normalmente localizado no núcleo de uma galáxia. Quando um quasar está ativo, provoca a emissão de radiação muito energética como raios gama, raios-X e os raios ultravioleta observados por Markarian.

A análise dos dados permitiu determinar que o buraco negro central da Markarian 231, o dominante do sistema binário, tem cerca de 150 milhões de massas solares. O outro, presumivelmente o buraco negro central da galáxia canibalizada pela Markarian 231, tem cerca de 4 milhões de massas solares (sensivelmente a massa do buraco negro central da nossa galáxia). Os dois completam uma órbita em torno do centro de gravidade comum em apenas 1.2 anos. Dois corpos tão maciços, tão próximos e movendo-se tão rapidamente dissipam grande quantidade de energia sob a forma de ondas gravitacionais, com o consequente decaimento orbital — os buracos negros estão gradualmente a cair para o centro de gravidade do sistema. Ainda que os quasares estejam a milhares de milhões de anos luz de nós, significa que vemos algo que aconteceu há milhares de milhões de anos atrás. Um quasar, pode muito bem ser uma galáxia em formação, uma visão dos primórdios do nosso Universo, bem diferente do que conhecemos hoje. Mas mesmo com todos esses fatos, eles dissipam grande quantidade de energia sob a forma de ondas gravitacionais.&nbsp; Isso que é preciso estudar e entender.


Referência&nbsp;: