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Das ondas gravitacionais aos grávitons, passando pela detecção feita pelo LIGO

Física: Conceito e história — By on fevereiro 12, 2016 at 21:44

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.

  • 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.

  • 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.

  • 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.

Imagem1

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.

Imagem2

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 embarcando 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” 

(Tradução do autor)

  • O que o gráviton tem a ver com isso? 

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.  Assim, a detecção das ondas gravitacionais pode ser um passo essencial na busca por uma teoria que unifique todas as interações conhecidas da natureza.

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10 Comments

  1. Edson Stedile disse:

    É fato conhecido que a gravitação de Einstein não é uma teoria renormalizável, como já mostrado por t’Hoft e Veltman em 1978. Isto implica que, por ser uma teoria clássica, não é quantizável. Portanto acredito não podermos esperar que desta formulação, a detecção de ondas gravitacionais possa nos levar ao graviton. Será então necessária uma teoria mais ampla, ou diferente, que permita a quantização ?

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    Jonas Floriano Resposta:

    Oi Edson, obrigado pelo comentário! A quantização do campo gravitacional é o problema central, como você mencionou. As duas principais teorias que e propõem a resolver isso é a teoria de cordas e a quantum loop gravity, como você deve saber. Para quantizar o campo gravitacional, a teoria da relatividade geral ou a mecânica quântica deve ser modificada (ou as duas, quem sabe??). Portanto, quantizar o campo gravitacional e consequentemente ter uma teoria que lide satisfatoriamente com o gráviton resultará em uma teoria diferente da relatividade geral, isso sem dúvidas. Todas teorias que tentam algo neste sentido devem quantizar o próprio espaço-tempo. Você deve conhecer a quantização canônica da mec. quântica. Existem teorias que quantizam tanto o espaço de posições quanto o espaço de momento, mantendo uma definição clássica (ou quântica) para o tempo. É uma tentativa.

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  2. Mas independente da teoria que será gerada com a quantização do campo gravitacional, a detecção de ondas gravitacionais é agora um fato e isso nos leva mais ainda na direção do gráviton, por mais diferente que seja a teoria que resultará da ligação entre mec. quântica e relatividade geral.

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    Edson Stedile Resposta:

    Prezado Jonas Floriano.

    Grato pelo seu excelente comentário.Concordo plenamente com seus argumentos.Realmente, t’Hooft e Veltman estudaram a renormalização da teoria gravitacional de Einstein empregando o potencial Newtoniano que está contido na métrica do espaço-tempo. Isto não poderia levar a uma teoria renormalizável, como foi mostrado.
    Não estaria faltando no modelo de quantização mais um campo ? Não estaria este campo ligado à energia “escura”.Pois, até agora, temos apenas um campo gravitacional atrativo. A expansão do universo parece sugerir um campo “repulsivo” a nível cosmológico.

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    Jonas Floriano Resposta:

    Oi Edson, é interessante o comentário. Eu na verdade não sei sobre a utilização da energia escura para este fim. Na verdadade ninguém sabe o que ela é, embora existam vários modelos que descrevam a energia escura, mas acredito que todos são de um ponto de vista clássico.
    O que eu sei mais ou menos no sentido em que você disse é que, em vez de você partir da relatividade geral e tentar quantizar os campos gravitacionais, você pode tentar uma quantização análoga à feita na eletrodinâmica. No eletromagnetismo você tem dois campos, o potencial escalar (mesma forma do potencial gravitacional) e o potencial vetorial (inexistente na teoria gravitacional). Para quantizar o campo eletromagnético, você quantiza o potencial vetor. Existe uma teoria chamada gravito-eletomagnetismo que vai por esta direção. Ela pressupõe a existência de um potencial vetor na teoria gravitacional e quantiza-o da mesma forma como na eletrodinâmica quântica. Assim, note, você teria um “campo magnético” associado ao campo gravitacional de forma análoga ao campo magnético associado ao campo elétrico. Porque o potencial escalar é de origem elétrica no eletromagnetismo, ao passo que o potencial vetor envolve a parte magnética. Mas esta teoria é uma alternativa à teoria da relatividade geral e portanto não tem nada a ver com as equações de Einstein. Você obtem outro conjunto de equações análogas às equações de Maxwell do eletromagnetismo. As outras duas maneiras de você tentar fazer isso é através da gravidade em loop quântico ou teoria de cordas, em que os conceitos da mec quântica ou da relatividade geral são modificados. Penso que deva existir outros mecanismos também.

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    Jonas Floriano Resposta:

    Correção: “No eletromagnetismo você tem dois potenciais”…

  3. Agora, pensando por cima no que você disse, veja bem. Os efeitos de atração e repulsão no eletromagnetismo não não campos. São efeitos devido a propriedades intrínsecas das partículas. A teoria gravito-eletromagnética que eu disse acima tem necessariamente dois campos, como você sugeriu. Se esta teoria tiver como consequência um efeito de repulsão de massas tal qual no eletromagnestimo, seria algo bem interessante viu. Eu na verdade não sei, é apenas especulação da minha parte. Mas o que sei é que a Física tem uma preferência por coisas que tenham um certo grau de simetria. Quem sabe…
    Abraços!!
    jonas.tunel@hotmail.com (Se quiser me escreva)

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    Edson Stedile Resposta:

    Caro Jonas, apreciei seus comentários. Concordo plenamente com suas explanações. Estas me esclareceram alguns pontos que ainda estavam obscuros.Acontece que minha tese de doutorado no IFT, alguns anos passados, versou sobre teorias clássicas de gauge, voltadas para a gravitação. Mesmo neste formalismo, observamos que a gravitação que conhecemos realmente é uma teoria não renormalizável. Isto nos leva a procurar teoria alternativas, como sabemos.
    Um grande abraço.

    edsonstedile@gmail.com

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  4. Laercio disse:

    As ondas gravitacionais devem ser o oceano do universo. As gotas deste universo devem ser os grávitons. Seguindo essa teoria é possível que um dia a ciência descubra mais detalhes e consiga fazer sua medição e interferência com bastante clareza, a ponto de conseguir neutraliza-la e fazer objetos inertes a esse campo, flutuarem. Quem sabe alguma civilização extraterrestre já teria descoberto isso e feito seus disco voadores flutuarem, surfando nesse campo gravitacional, permitindo acelerações incríveis e atrito zero. Acho que não é nem uma questão de que quem viver verá e sim de que os do futuro verão.

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    Guilherme Xavier Resposta:

    Também sonho com esse dia, Laercio! Sou estudante de engenharia e espero um dia poder fazer uso de alguma tecnologia desse porte, pois é fato que a livre flutuação e atrito zero são almejos antigos da humanidade e da engenharia! No momento, vejo que pouco ainda temos para tanto, e espero que tais descobertas possam despertar interesse de muitos pesquisadores, assim como em mim me desperta, pois ter mecanismos para controlar a gravidade é um ponto de revolução tecnológica que eu espero sim alcançar, mesmo sabendo que tenho apenas muita fé. rsrsrs

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