Ondas Gravitacionais – parte 3

Como já vimos, as ondas gravitacionais, previstas pela teoria da relatividade geral de Einstein, são análogas às ondas eletromagnéticas, da teoria eletromagnética clássica. Vimos também que tais ondas são geradas quando uma quantidade muito grande de massa, ou matéria, é oscilada ou colocada em um movimento acelerado. Por fim, mostramos que a detecção de ondas gravitacionais é impossível hoje em dia, devido à característica muito fraca da interação gravitacional, quando comparada com as outras interações físicas, como a eletromagnética. Nesta última parte sobre ondas gravitacionais, vamos tentar entender uma outra fonte de ondas gravitacionais, uma fonte que teoricamente nos permite ter acesso aos primeiros momentos após o Big Bang.

            Durante os primeiros estágios de evolução do universo, este passou por um período de expansão muito rápida, chamado de período inflacionário. Neste período, toda massa ainda estava concentrada em uma pequena região do espaço, ocasionando assim uma alta densidade de matéria. Com a expansão muito acelerada do universo, ondas gravitacionais foram então geradas. Estas ondas, por terem sido geradas nos primeiros estágios de evolução do universo, recebem o nome de ondas gravitacionais primordiais.

            Após ter terminado o período inflacionário, o universo passou a se expandir de maneira normal. Por outro lado, as ondas gravitacionais primordiais geradas passaram-se então a se propagar ao longo do espaço. Essas ondas, assim como qualquer outra onda gravitacional, interagem muito fracamente com a matéria, o que permite a ela carregar toda sua informação original sem alteração ao longo do espaço-tempo. Essa característica especial permite aos físicos, ao menos teoricamente, que estudem os primeiros momentos do universo através das ondas gravitacionais primordiais, uma vez que elas carregam informações sobre o período inflacionário. Com isso, do mesmo modo que a detecção da radiação cósmica de fundo permitiu que os cientistas “observassem” o universo aos 300.000 anos de idade, a detecção de ondas gravitacionais primordiais seria tão surpreendente quanto, uma vez que iria nos permitir “olhar” para os primeiros estágios do universo. Uma detecção direta dessas ondas seria útil também para testar vários modelos inflacionários existentes e, além disso, verificar os valores de algumas constantes fundamentais em física.           

            As ondas gravitacionais primordiais são de grande importância em física teórica e em cosmologia, pelos aspectos descritos acima. Embora uma detecção direta seja atualmente impossível, esperanças existem para um futuro a médio e longo prazo. De fato, é certo que a esperança se resguarda mais devido ao caráter teórico do que experimental, uma vez que estamos ainda muito longe de poder medir uma onda gravitacional diretamente. Apesar disso, o caráter ondulatório da gravitação e o grande sucesso da relatividade até o momento é um grande refugio para os que tem convicções de que tais ondas serão detectadas algum dia. 

Ondas Gravitacionais - parte 2

Ainda tentando compreender melhor algumas características das ondas gravitacionais, vamos, neste texto, esclarecer como tais ondas são previstas matematicamente pela teoria da relatividade geral de Einstein, ou teoria da gravitação de Einstein. Não iremos aqui fazer nenhuma conta, apenas mostrar um caminho que leve à previsão das ondas, o que pode ser de grande interesse.

            A teoria da relatividade geral é uma teoria de gravitação. Uma das grandes diferenças entre esta teoria e a teoria de gravitação de Newton é a de que na relatividade geral, todas as massas, de qualquer grandeza, estão localizadas em uma malha, denominada espaço-tempo. Assim, quanto maior for a massa de um corpo considerado, maior será a deformação causada neste no espaço-tempo. Para ilustrar isso, imagine um colchão. Se colocarmos sobre ele uma bola de gude, sua superfície será levemente deformada. Entretanto, se colocarmos sobre o colchão uma bola de boliche, então a deformação causada será muito maior. Com a malha do espaço-tempo e as massas como planetas, buracos negros, e outros corpos, a analogia é exatamente esta. Disso, podemos facilmente deduzir que, na ausência de qualquer corpo massivo, o espaço-tempo torna-se plano.

            Para descrever matematicamente o espaço-tempo de todo o universo ou de uma região localizada, utiliza-se a chamada métrica. Uma forma de definir a métrica é dizer que ela mantém a distância entre dois pontos quaisquer inalterada, independente do sistema de coordenadas utilizado para fazer a medida. Pode ser um sistema de coordenadas plano, esférico, ou qualquer outro. Na ausência de massa, a métrica se resume a algo simples, porém em outros casos pode ser muito complicado descrevê-la. Assim, o primeiro ingrediente que temos em nosso entendimento entre espaço-tempo e corpos massivos é a Geometria.

            Por outro lado, da relatividade especial de Einstein, podemos sempre relacionar massa e energia. De fato, segundo essa teoria, massa e energia são a mesma coisa. Seguindo isso, podemos interpretar um corpo massivo como sendo uma certa quantidade de energia sobre o espaço-tempo. Segue então que temos o outro ingrediente para nossa compreensão, a Energia.

            Seguindo alguns princípios gerais de física, Einstein obteve na relatividade geral uma equação que relacionasse geometria e energia (ou densidade de matéria). Essa equação recebe o nome de Equação de Einstein. Normalmente, quando vamos utilizar esta equação, escolhemos nosso sistema de estudo. A partir disso, descrevemos matematicamente o espaço-tempo em questão através da métrica, e escrevemos toda a matéria considerada com as devidas equações. Então, relaciona-se essas duas quantidades através das equações de Einstein e interpreta-se as equações resultantes. Para um universo plano, com uma distribuição de massa em algum ponto, um dos resultados obtidos através das equações de Einstein são as ondas gravitacionais! Assim, a previsão da existência das ondas gravitacionais vem da solução das equações de Einstein.

            Nesta parte da explicação vimos, através de um delineamento ilustrativo, um caminho que leva até a previsão das ondas gravitacionais pela teoria geral de relatividade de Einstein. De fato, a previsão das ondas gravitacionais da um certo conforto aos físicos, pois se buscamos semelhanças entre teorias distintas e uma futura unificação, a semelhança entre gravitação e eletromagnetismo por meio de um formalismo ondulatório é um grande sucesso.

Ondas Gravitacionais - parte 1

Quando ouvimos dizer ou lemos em algum lugar o termo “ondas eletromagnéticas”, fazemos sempre a associação com eletricidade e magnetismo. Esse termo é comum para nós, uma vez que o eletromagnetismo é uma ciência fácil de ser demonstrada experimentalmente. Entretanto, um outro termo que muito se fala, “ondas gravitacionais” que, analogamente, é uma das conseqüências da teoria gravitacional de Einstein, a teoria da relatividade geral, não é muito bem compreendido. Mas de onde surgem as ondas gravitacionais, e como elas são previstas de maneira matemática pela teoria da relatividade geral? Iremos tentar entender esse assunto ao longo desse texto e de outros, uma vez que sua analogia com as ondas eletromagnéticas é direta.

As origens das ondas eletromagnéticas e gravitacionais são praticamente idênticas. No eletromagnetismo, se considerarmos uma carga elétrica, e a oscilarmos de maneira acelerada, teremos como resultado a produção de ondas eletromagnéticas, que podem ser detectadas por algum sistema de antena ou algo do tipo. Já na teoria da relatividade geral, de maneira análoga, se considerarmos uma partícula massiva, e a oscilarmos de maneira acelerada, iremos gerar as chamadas ondas gravitacionais. Basicamente, é assim que se produz tais ondas. Mas então, por que ainda não conseguimos detectar estas ondas gravitacionais? Além de serem factíveis de produção, são previstas, como iremos ver, pelas chamadas equações de Einstein. Neste caso, o problema é a intensidade da integração gravitacional. Ela é extremamente baixa em comparação à interação eletromagnética. Como um exemplo simples, se pegarmos um prego de ferro e colocarmos ele a certa altura da terra e próximo a um imã, iremos ver facilmente que o imã atrai o prego e o impede de cair no chão. Isso demonstra a superioridade da força eletromagnética em comparação à gravitacional. Analogamente, a intensidade das ondas gravitacionais é muito menor em relação às eletromagnéticas. Consequentemente, para podermos, com nossa capacidade atual de precisão nos experimentos, medir ondas gravitacionais, quantidades enormes de massa devem ser consideradas. Mesmo assim, os instrumentos atuais de medida carecem de precisão para tal.

Uma outra pergunta então seria: Onde é possível, no universo, encontrar quantidades enormes de massa que possam produzir ondas gravitacionais capazes de serem medidas por nós, seres humanos? A resposta para esta pergunta está nos gigantescos eventos que acontecem por todo o universo, como explosões de supernovas, colisões entre galáxias, rotação de um buraco negro e movimentos envolvendo galáxias e aglomerados de galáxias. Todos esses eventos produzem as chamadas ondas gravitacionais, e todos são estudados teoricamente quanto a isso. Em relação a medir estas ondas, como dito, nossos equipamentos atuais não possuem capacidade de precisão suficiente.

Vimos, neste texto, que a produção de ondas gravitacionais, a princípio, é basicamente simples. Entretanto, detectá-las já é outra questão bem complicada, impossível atualmente por razões experimentais. A despeito das fontes de ondas gravitacionais consideradas acima, existe uma outra, que gera as chamadas “ondas gravitacionais primordiais”. O termo “primordial” vem do fato da fonte considerada estar associada aos primeiros momentos de evolução do universo, o período inflacionário. Iremos continuar abordando as ondas gravitacionais nos próximos textos, e o porquê esta última fonte merece atenção especial.

Abaixo, um vídeo mostrando um possível detector de ondas gravitacionais, em desenvolvimento no Brasil.