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

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.

1   1 -     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.

2    2-     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.

3    3 -     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” 

(Tradução do autor)

4    4-     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.

Fonte:

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

O Princípio Cosmológico

Nos últimos cem anos, a cosmologia obteve diversos e significativos avanços em direção a tentar compreender melhor a evolução do nosso universo. Neste contexto, os avanços teóricos foram muito maiores do que os avanços experimentais. Um dos motivos é que, para estudar os momentos iniciais de evolução do universo, uma quantidade enorme de energia é necessária para reproduzir os cenários imediatamente após o Big Bang. A quantidade de energia disponível hoje para ser usada em um acelerador de partículas é imensamente menor do que a necessária. Deste modo, tendo a relatividade geral provado sua importância como ferramenta a ser usada, é óbvio que a física teórica pôde avançar muito além dos experimentos. Entretanto, muitos modelos físicos ainda precisam da validação ou reprovação, e isso apenas se faz com métodos experimentais.

Por causa da imensidão do nosso universo observável, é natural que, em cosmologia, se façam alguma hipóteses e aproximações. Assim, uma hipótese importante é de que, em grandes escalas de distância, nosso universo universo é isotrópico e homogêneo. Por isotrópico entende-se que as características do universo são independentes da direção de observação escolhida. Já homogêneo quer dizer que a distribuição de matéria se dá, em grande escalas, de maneira aproximadamente uniforme. A principal aproximação é que de a relatividade geral, provada com sucesso em escalas astrofísicas, seja também válida em escalas cosmológicas, tanto de espaço quanto de tempo. Aquela hipótese e a aproximação formam o chamado Princípio Cosmológico, algo muito importante para a construção do modelo cosmológico padrão atual.

Como já dito, experimentos para compreender nosso universo primordial, como é chamado o universo imediatamente após o Big Bang, são atualmente incapazes de serem realizados. Entretanto, medidas indiretas (como a radiação cósmica de fundo) são possíveis de serem feitas a fim de verificar a validade de uma certa teoria ou parte dela. Essas medidas são de grande importância para a cosmologia atual. De fato, atualmente muitos sistemas de detecção direta de sinais chamados "relíquias", do universo primordial, não são sensíveis o suficiente para captar dados, sendo que a maioria dos dados obtidos dessa época do universo segue de medidas indiretas.

Abraço a todos!

Colisões de matéria escura com o ser humano

           Recentemente em um site considerado um "depositário de artigos científicos" foi inserido um novo artigo que diz sobre um estudo que conclui que em média, um ser humano é atingido por uma partícula de matéria escura por minuto. Obviamente, existem muitas especulações e aproximações nos cálculos realizados para se chegar a este valor. Entretanto, quando vi tal artigo, achei interessante escrever uma coluna dizendo algo sobre matéria escura e sobre a modelação da matéria escura para se poder considerar uma "partícula de matéria escura"

 Em cosmologia, é comum considerar os constituintes básicos do universo como sendo: fótons, matéria bariônica, matéria escura, neutrinos e energia escura. Fótons são pequenos pacotes de energia, ou as partículas de interação da força eletromagnética. Por matéria bariônica entendemos todo tipo de coisa formada por prótons, nêutrons e elétrons, como estrelas, planetas e os seres humanos. Os neutrinos são considerados como partículas necessárias quando se impõe algumas simetrias às leis físicas. Neutrinos são geralmente considerados como partículas de massa nula, porém alguns estudos recentes mostram que aos neutrinos pode ser atribuído um pequeno valor de massa. Todos estes elementos citados até aqui e os seus papéis na evolução do universo são praticamente bem entendidos na física e cosmologia. Devemos ressaltar, antes de ir em frente, que a designação "escura" deve-se ao fato de os físicos não saberem do que é constituído tais elementos. 

Porcentagem dos constituintes do universo. Tudo que conhecemos, como estrelas, planetas e nós, estamos incluídos em Átomos.

 Existem fortes evidências para supor a existência de algo chamado "matéria escura" no universo. Definimos aqui matéria escura como sendo matéria não bariônica, ou seja, matéria não formada por prótons, nêutrons e elétrons. Além disso, não há interação entre matéria escura e matéria bariônica, ou simplesmente matéria. A explicação para o fato de não haver interações entre esses dois tipos de matéria é que se houvesse qualquer tipo de interação, os astrofísicos ou astrônomos já teriam detectado algum tipo de radiação resultante. A mais simples explicação para supor a existência de matéria escura no universo é devido ao fato de que com o valor da densidade de matéria bariônica hoje bem conhecido observacionalmente em nosso universo, ele deveria ser bem diferente do que o é. Então, como é comum em cosmologia ou qualquer outra área da física de altas energias, suposições são feitas de modo a preencher os vazios nas teorias existentes de forma a ficarem coerentes com os dados observacionais. Vale a pena ressaltar que matéria escura nada tem a ver com anti-matéria. Anti-partículas, como o pósitron, já foram detectados e são muito bem entendidos. 

Bom, supondo então a existência de algo denominado matéria escura, os físicos precisam construir modelos teóricos, ou melhor dizendo, modelos efetivos, que possam dar conta de explicar a dinâmica de interação dessa matéria escura e de sua dinâmica ao longo da evolução do universo. Existem muitos modelos para matéria escura. Os próprios neutrinos, devido a sua interação com outras partículas ser extremamente fraca, já foi um candidato bombástico nos meios teóricos. Entretanto, no modelo de matéria escura usado no artigo que me referi acima e um dos candidatos mais fortes atualmente são as WIMP's (Weakly interacting massive particles ou partículas massivas fracamente interagentes). Quando se diz aqui "fracamente interagentes", devemos supor uma interação realmente muito, mas muito fraca, incapaz de ser detectada atualmente com os melhores aparelhos. A designação fraca dessa interação serve tanto para interações entre matéria escura e matéria bariônica quanto para interações entre as próprias partículas escuras. 

 Sendo um assunto ainda teórico, as considerações e caminhos a se seguir teoricamente são imensos. Uma família de partículas escuras pode ser suposta de modo a dar conta de todas as interações que elas venham a sofrer. Portanto, devemos ter em mente que, para o cálculo realizado no artigo para quantificar a taxa de colisão de uma partícula de matéria escura com nosso corpo foram utilizadas as seguintes considerações básicas:

1)  A matéria escura, algo que não sabemos ainda o que de fato é, foi modulada efetivamente como sendo WIMP's;

2) Essas partículas, sendo seus valores de massa de repouso extremamente pequenos, interagiram normalmente com matéria bariônica nos primeiros estágios do universo. Hoje, entretanto, elas viajam pelo universo "free-streaming", ou melhor, viajam livremente sem interagirem praticamente com nada;

3) Dessa viagem sem interação, elas ocasionalmente cruzam a Terra e, mais ocasionalmente ainda, chocam-se com um ser humano;

4) Dado o fato de que 23% de toda energia do universo é composta por matéria escura, podemos supor a existência de muitas partículas wimp's, de modo que, depois de muitos e muitos cálculos, concluiu-se que a média de choques de uma partícula wimp com um ser humano é aproximadamente uma por minuto.

          O fato é que tais colisões e muitas outras que estão neste momento ocorrendo entre as mais diversas partículas e nosso corpo não causam nenhum dano ao nosso organismo. Moléculas de CO₂ sim nos prejudicam.

Nota: O elétron não é um bárion. Entretanto, em cosmologia, costuma-se chamar de bárions tanto prótons e nêutrons como também elétrons. É meramente uma questão de nomeclatura.

O artigo, ainda em processo de avaliação, pode ser visto na íntegra em pdf no site do arxiv: http://arxiv.org/pdf/1204.1339v1.pdf.