Matheus Silva de Souza e Pedro Henrique Farias Cassiano
Com a recente detecção de ondas gravitacionais feita pelo observatório LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), agora temos uma nova maneira de ver e estudar o universo. Da mesma maneira que temos vários radiotelescópios apontados para o universo que conseguem detectar, por exemplo, ondas de rádio ou de radiação geradas do Big Bang, em breve teremos também vários interferômetros que poderão captar ondas gravitacionais emitidas pela explosão de supernovas ou fusão de estrelas de nêutrons [5].
As ondas gravitacionais foram propostas por Albert Einstein a partir da Teoria da Relatividade Geral, que sugeria a existência de dilatações e curvaturas no espaço-tempo. Essas distorções representam a força gravitacional existente no espaço-tempo, e apontam a existência de campos gravitacionais e a maneira que eles atraem objetos. As ondas gravitacionais são oscilações que ocorrem no espaço-tempo quando objetos com grandes campos gravitacionais orbitam entre si, colidem ou explodem.
O projeto LIGO, fundado em 1992, coleta informações sobre ondas gravitacionais vindas do espaço usando dois interferômetros. Durante a primeira fase do projeto, entre 2001 e 2010, o observatório não identificou tais eventos. Porém após um aperfeiçoamento feito em 2010 na sua estrutura e seu projeto, o LIGO se tornou dez vezes mais sensível e, finalmente, dia 11 de fevereiro 2016, o observatório anunciou a detecção de ondas gravitacionais causadas pela colisão de dois buracos negros.
Teoria Especial da Relatividade
Também conhecida como Teoria da Relatividade Restrita, a Teoria Especial da Relatividade foi publicada por Albert Einstein, em 1905, e ela relaciona as leis da mecânica clássica com as equações de Maxwell, que compõem a base do conhecimento de elétrica e eletromagnetismo clássico [2].
A teoria assume que a velocidade da luz no vácuo possui o mesmo valor independente da velocidade do observador ou da fonte de luz, ou seja, é uma constante absoluta, e que o Princípio da Relatividade se estende às leis da mecânica, do eletromagnetismo e da óptica. Tal princípio afirma que as leis da natureza permanecem as mesmas para qualquer momento sem aceleração, ou seja, permanecem inertes, e apresentam o mesmo resultado independente do agente que exerce o papel de observador.
A Relatividade Especial corrige inconsistências nas equações de Maxwell, que eram observadas em problemas como “Aberração da luz” [7] e o “Problema do imã móvel e o condutor” [8]. Além disso, explica o chamado experimento de Michelson-Morley [9], realizado por Albert Michelson e Edward Morley, que observou que a velocidade da luz não se alterava apesar da existência de movimento entre os agentes, um resultado absurdo segundo a física newtoniana. A partir da relatividade geral, Einstein propôs que a velocidade máxima possível é fixa e finita, a velocidade da luz no vácuo, representada pela constante “c”.
A Teoria da Relatividade Restrita resultou também no conceito de equivalência de massa e energia (o famoso “E = mc2”), no conceito da dilatação do tempo, entre outros. A teoria era chamada “Restrita” porque considerava apenas o tempo, espaço, massa e energia, mas ignorava a força da gravidade. Isso fez com que Albert Einstein criasse a Teoria da Relatividade Geral, uma adaptação da teoria da gravitação newtoniana e da Relatividade Restrita [2].
Teoria da Relatividade Geral
Essa teoria tem como base o Princípio da Equivalência, o qual afirma que o estado de um objeto em movimento acelerado fora da ação de um campo gravitacional é equivalente ao estado de um objeto imóvel sob a ação de um campo gravitacional. A partir desse princípio, Einstein afirmou que um observador dentro de um elevador que deixasse uma bola cair não saberia distinguir se está fora de qualquer campo gravitacional enquanto o elevador sobe com a mesma aceleração da gravidade da Terra, ou se o elevador não está se movendo e está sob influência da gravidade da Terra, porque em ambos os cenários ele observaria a bola se movendo com a mesma aceleração em direção ao chão do elevador.
Esse experimento mental, conhecido como Elevador de Einstein, demonstra que independente do observador e da bola estarem em movimento acelerado fora de um campo gravitacional, ou imóvel sob a ação de um campo gravitacional, a trajetória da bola é a mesma, logo os cenários são equivalentes. Porém a razão pela qual a bola percorre tal trajetória é diferente para cada cenário: caso a cena não estivesse sob ação da gravidade, o chão do elevador estaria se movendo em direção aos demais objetos, contudo, no segundo cenário, os demais objetos seriam “empurrados” em direção ao chão pela força da gravidade. Sendo assim, a primeira corresponde à energia necessária para mudar o estado de um objeto, e a segunda corresponde à atração que um corpo exerce sobre o outro, segundo a Lei da Gravitação Universal [3].
Para incluir a gravidade ao conceito do espaço-tempo, Einstein adicionou uma nova dimensão que representa a energia contida em um ponto, capaz de curvar o universo e fazer com que objetos próximos sejam atraídos para o centro da curvatura, ou o chamado centro gravitacional. A Teoria da Relatividade Geral levou a várias conclusões como, o universo está se expandindo, a contraditória conclusão de que parte dele se move mais rápido que a luz, e a existência da Dilatação Gravitacional do Tempo.
Ondas Gravitacionais
Segundo Einstein, quando objetos com grande aceleração e forte campo gravitacional, como estrelas de nêutrons ou buracos negros, orbitam entre si, e eventualmente colidem, eles geram ondas gravitacionais que são oscilações no espaço-tempo que viajam na velocidade da luz distorcendo o universo. Até pouco tempo, uma das dificuldades em detectar ondas gravitacionais era encontrar um instrumento de medição que pudesse mostrar que o espaço e o tempo estão sendo esticados e comprimidos. Uma primeira ideia, mais intuitiva, seria, por exemplo, medir o tamanho de um objeto com uma régua comum e verificar se houve variação em seu tamanho. No entanto, as ondas gravitacionais não afetam apenas o objeto, mas todo o universo, portanto a régua também sofreria os mesmos efeitos.
Outra maneira de pensar em fazer essas medições seria aproveitar o fato de sabermos que a luz sempre percorrerá a mesma distância em um mesmo intervalo de tempo. Assim, poderíamos medir o tempo que a luz demora para percorrer certo espaço e se houver variação nesse espaço, então também teríamos variação no tempo em que a luz o percorre. O problema com essa abordagem é que o espaço e o tempo não são grandezas separadas, o tempo também é uma dimensão do universo, logo a medição do tempo que a luz percorre também seria afetada.
Figura 1 Modelo do Interferômetro de Michelson
Alternativamente, é possível usar interferômetros, isto é, aparelhos capazes de analisar a interferência entre duas ou mais fontes de luz medindo a frequência e intensidade após a sobreposição das ondas. Isso ocorre com base nos seguintes conhecimentos: a luz comporta-se como onda em alguns momentos; quando duas ou mais ondas se superpõem no mesmo ponto elas sofrem interferência e essa interferência pode aumentar ou diminuir a amplitude das ondas. O interferômetro de Michelson consiste em dois “braços” perpendiculares entre si, no formato “L”, com um espelho no fim de cada braço, uma fonte de luz, um espelho que divide o feixe de luz em dois e um fotodetector. O processo ocorre da seguinte forma: o feixe de luz é dividido em duas ondas pelo primeiro espelho e cada uma é direcionada para um dos braços; após viajar pelos braços e atingir os espelhos no fim, as ondas retornam ao espelho que as dividiram e são sobrepostas e analisadas por um fotodetector.
LIGO
O projeto LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) fundado em 1992 para coletar informações sobre ondas gravitacionais vindas do espaço consiste em um par de interferômetros semelhantemente ao modelo do interferômetro de Michelson. Um deles está localizado em Livingston, Louisiana, e o outro na Reserva Nuclear Hanfor, perto de Richland, Washigton. A estrutura conta com braços de quatro quilômetros de comprimento, sistemas de isolamento sísmico e de suspensão, além de fotodetector muito sensível que analisa um lazer que viaja por essa estrutura.
O LIGO busca, a partir da interferência gerada pelos feixes de luz refletidos, saber se houve variação do tamanho de um dos braços, e caso isso acontecesse, o resultado da interferência das ondas diferiria juntamente com o tamanho. A perpendicularidade da estrutura faz com que ondas gravitacionais alterem o comprimento de apenas um braço, e a utilização de dois ou mais observatórios é necessária para, entre outros motivos, evitar ruídos como abalos sísmicos e fazer estudos mais profundos, como saber onde está localizada a origem da onda.
O observatório tentou, entre 2001 a 2010, identificar ondas gravitacionais, porém nesses nove anos iniciais nada foi detectado. Em 2010, o LIGO foi fechado para receber aperfeiçoamentos no isolador sísmico, suspensão e design, além da troca de seus espelhos por outros mais grossos e resistentes ao calor e deformação. Ao fim das alterações, em 2015, o observatório se tornou dez vezes mais sensível.
Figura 2 LIGO em Livingston, Louisiana
Em setembro de 2015, o LIGO observou distorções no espaço-tempo e dia 11 de fevereiro de 2016 o observatório anunciou ter oficialmente captado a ocorrência de ondas gravitacionais. A origem de tal fenômeno é um sistema binário de buracos negros que giravam entre si até se colidirem, emitindo ondas gravitacionais com a perda de energia. Tal evento não pode ser detectado com ondas eletromagnéticas, já que buracos negros são tão densos e massivos que nem mesmo a luz consegue sair dessa região.
Agora com essa descoberta temos mais uma maneira de estudar o universo. Uma analogia que pode ser feita é que as ondas eletromagnéticas são como nossa visão e as ondas gravitacionais são como nossa audição sobre o universo. O próprio evento que deu origem às ondas gravitacionais que foram detectadas é um exemplo disso, pois até então não poderíamos saber se sistemas binários de buracos negros existiam ou não. O projeto LIGO continua buscando novas maneiras de melhorar o observatório e esperam, em torno de 2020, realizar outras mudanças para aperfeiçoar a captação desses e possíveis novos eventos.
REFERÊNCIAS
[1] ALVES, Luciano Calaça. “Teoria da Relatividade”; Brasil Escola. Disponível em <http://brasilescola.uol.com.br/fisica/teorias-da-relatividade.htm>. [2] http://www.einstein-online.info/ [3] Sean M. Carroll. “Lecture Notes on General Relativity”; Enrico Fermi Institute December 1997; < http://arxiv.org/abs/gr-qc/?9712019> [4] https://www.ligo.caltech.edu/ [5] http://www.slate.com/blogs/bad_astronomy/2016/02/11/gravitational_waves_finally_detected_at_ligo.html [6] http://www.ligo.org/science/Publication-GW150914/index.php [7] http://www.if.ufrgs.br/oei/santiago/fis2005/textos/varcrds.htm [8] http://philsci-archive.pitt.edu/1743/ [9] http://especialmente.com.br/ciencia/astronomia/experimento-de-michelson-morley/