Em Busca do “Fundo de Ondas Gravitacionais”

“O Cosmos inteiro deve ser concebido como uma imensa                                    orquestração musical; um ritornelo desterritorializado”                                 (D. Lins e J. Gil – Nietzsche & Deleuze, Jogos & Música’)

Petrolina lago Prudente

Ondas gravitacionais se espalham pelo espaço e tempo… como ondulações de um lago… – distorcendo o tecido do Universo.

De eventos cataclísmicos do Universo…tais como fusão de buracos negros  explosões estelares, e o próprio Big-Bang se originam as ‘ondas maiores’… É aí, por onde transita a ‘teoria da relatividade geral‘ de Einstein.

Apesar de muitas das previsões da teoria da gravitação de Einstein terem sido provadas… – durante muito temposó se encontraram evidências indiretas das ondas gravitacionais. Pela dificuldade em detetá-las diretamente, foi realizado um experimento, com o objetivo de impor um limite superior na quantidade de ruído no “fundo de ondas gravitacionais” do Universo; para assim tentar identificá-las.

Esse limite – segundo os pesquisadores…poderia refinar, ou até mesmo descartar modelos cosmológicos que preveem ‘fundos intensos’ produzidos por alguns processos no Universo primordial. E outras implicações poderiam surgir, à medida que o experimento, conhecido como Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser (LIGO, em inglês), melhore sua sensibilidade.

A equipe do ‘LIGO‘, que trabalha em colaboração com o ‘VIRGO‘ europeu, apresentou suas descobertas usando dados coletados entre…2005 e 2007, numa edição publicada na “Nature“.

Vuk Mandic, astrofísico da Minnesota University, e membro da equipe LIGO, revelou que a pesquisa está fornecendo uma amostra do que poderá surgir por aí…em breve…Segundo o pesquisador:

Esta é a primeira vez que esse tipo de experimento atinge uma sensibilidade que torne possível investigar modelos cosmológicos do Universo primordial”.

O LIGO é formado por 2 sítios de observação – um no estado de Washington – e outro na Louisiana… Cada um deles abriga um interferômetro em forma de L, com braços de 4 km. Um feixe lazer produzido no cotovelo divide-se em 2, e se propaga pelos lados do L, antes de ser refletido por espelhos localizados nas extremidades. Uma onda gravitacional que – eventualmente – passar pelo interferômetro, distenderá temporariamente um dos braços do detector e comprimirá o outro. Assim, os 2 feixes, que percorrem distâncias diferentes, estarão fora de fase ao se recombinar.

O desafio que os pesquisadores do LIGO precisam enfrentar é enorme, como observou o físico Marc Kamionkowski, do Calthec/EUA, em comentário que acompanha o artigo:

“O detetor de ondas gravitacionais requer a deteção de variações mínimas (uma fração do tamanho do núcleo atômico) na separação (em kms.) de massas fluindo livremente”.

ligo (1)

(O Laboratório do LISA em Hanford) . LISA é um projeto de detector de ondas gravitacionais interferométrico a ser montado no espaço, daí o seu nome: Laser Interferometer Space Antenna. Repare-se nos dois braços do interferómetro que saiem do edifício central. [LISA/NASA]

Para eliminar sinais indevidos o ‘LIGO’ dispõe de um conjunto de ‘supressores de ruído‘, que compensam “efeitos vibracionais produzidos pela passagem de…pedestres… ou caminhões.

Os espelhos, nas extremidades de cada braço são suspensos em pêndulos — os isolando de vibrações — e num futuro aprimoramento, o ‘LIGO Avançado’ se utilizará de 4 “pêndulos     em série”…multiplicando o efeito supressor.

O ruído proveniente de atividade geológica poderá ser suprimido…caso a pesquisa seja efetuada a frequências relativamente altas;        o LIGO impõe limites para estas ondas, na   faixa dos 100 Hz… – enquanto que o ruído sísmico, geralmente, está abaixo de 25 Hz.

Melhorando os limites anteriores do LIGO em uma ordem de grandeza, Mandic e seus colegas restringiram ainda mais a amplitude do fundo de ondas gravitacionais’ (FOG)  que emergiu logo após o Big-Bang. Esse background… assim como a radiação cósmica     de fundo em microondas’ pode conter valiosas informações sobre o início do Universo.

As ‘ondas gravitacionais‘ têm uma vantagem adicional… – elas carregam informação sobre todos os instantes iniciais importantes que se seguiram ao Big Bang – muito mais remotos do que hoje podemos medir. Einstein previu a existência dessas ondas em 1916, em sua teoria da relatividade geral. J.H Taylor, L.A Fowler, e P.M. McCulloch relataram pela primeira vez evidências de sua existência na revista Nature, em 1979.

Desde 2002, o ‘LIGO‘ está ativamente à procura das ‘ondas gravitacionais’.                       E, em 2007… o interferômetro europeu ‘VIRGO juntou-se à esta pesquisa…

O ‘fundo estocástico‘ de ondas gravitacionais ainda não foi descoberto…Mas, a restrição para tal, descrita no artigo da ‘Nature’ já oferece sua própria marca, na           busca da história mais antiga do universo.  ##### ‘texto base’ (set/2009) #####

Outras fontes:  New research limits big bang’s output # Misteriosa Força da Gravidade  ‘Telescópio Einstein de Ondas Gravitacionais’ Ondas Gravitacionais enfim detetadas *****************(textos complementares)***********************************

Gravidade investigada com sistema de pulsar binário (13/10/1993)

http://astronomy-universo.blogspot.com.br/2010_07_01_archive.html

A Real Academia Sueca de Ciências atribuiu o Prêmio Nobel da Física de 1993 a R. Hulse e Joseph Taylor Jr…ambos da Universidade de Princeton/EUA – pela descoberta de um novo tipo de pulsar — descortinando novas possibilidades para o estudo da “gravitação”.

A descoberta foi feita por eles em 1974… no radiotelescópio (300 m)…de Arecibo/Porto Rico… Taylor… – então na Universidade de Massachusetts e seu aluno Hulse… estavam sistematicamente à cata de pulsaresuma espécie de ‘farol cósmico’ em rápida rotação, produzido por um objeto astronômico, com uma massa um pouco maior que a do sol, e um raio de cerca de 10 kms, cuja ‘luz piscante’ se situa dentro da região das ‘ondas de rádio‘.

De particular interesse tem sido a possibilidade de se verificar – com grande precisão, a previsão da teoria da relatividade – de que o sistema deve perder energia…emitindo ondas gravitacionais, aproximadamente da mesma forma que um sistema de cargas elétricas em movimento emite ondas eletromagnéticas.

De acordo com a relatividade geral de Einstein… a gravidade é causada por mudanças na geometria do espaço e do tempo; ou seja… – ‘encurvamento do espaçotempo ao redor de corpos massivos’. Einstein apresentou sua teoria em 1915; e em 1919 o astrofísico Arthur Eddington anunciou, que uma das previsões da teoria (a deflexão da luz das estrelas que passam próximas à superfície solar) havia sido comprovada através de um ‘eclipse solar’.

Esta deflexão da luz – juntamente com uma contribuição da relatividade geral sobre o movimento do periélio de Mercúrio (pequena lentidão na rotação da órbita elíptica de Mercúrio em torno ao Sol), foi…por décadas, o único suporte para a teoria de Einstein.

Image credit: John Antoniadis, et al., “A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Binary,” Science 26 April 2013: Vol. 340 no. 6131. https://medium.com/starts-with-a-bang/8ada2eb08430

Image: John Antoniadis, et al., “A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Binary,” Science 26 April 2013. ‘What is the Speed of Gravity?’

Durante muito tempo, a teoria da relatividade foi considerada esteticamente muito bonita, e satisfatória – provavelmente correta, mas de pouco significado prático para a física, exceto em aplicações cosmológicas… – no estudo da origem…evolução…e… estrutura do universo.

A descoberta de Hulse e Taylor, em 1974, do 1º pulsar binário… batizado PSR 1913 + 16 (PSR significa pulsar, e 1913 + 16 especifica   a posição do pulsar no céu) ‘revolucionou’ a área… — Por se tratar de 2 pequenos corpos astronômicos – cada qual com raio de cerca   de 10 kms, mas com massas comparáveis ao sol… – e muito próximos entre si…(algumas vezes a distância terra-lua)… são grandes os desvios da física tradicional de Newton.

Como exemplo, podemos mencionar que a ‘variação do periastro’ – ou seja – a rotação da órbita elítica que o pulsar executa no sistema, de acordo com a 1ª lei de Kepler (do começo do século XVII), equivale a 4 graus por ano… – O correspondente desvio relativístico mais expressivo no nosso sistema solar… o mencionado movimento do periélio de mercúrio, representa 43 segundos de arco por século… que é menos de um décimo das contribuições causadas pelas perturbações dos outros planetas… — Venus e Júpiter … — principalmente.

A grande diferença entre os desvios é, em parte, devido à velocidade orbital do pulsar binário, quase 5 vezes maior do que a de Mercúrio; e em parte, devido à realização de       cerca de 250 vezes mais órbitas por ano do pulsar – em relação a este mesmo planeta.

(O tempo orbital do pulsar binário é menos de 8 horas – bem menor,              em comparação com o mês que a Lua leva … para orbitar a Terra.)

Período pulsante 

Uma propriedade muito importante do novo pulsar é que seu período…o tempo entre 2 feixes de luz (0,05903 segundos), ao contrário da maioria dos outros pulsares, tem sido extremamente estável. O período pulsante aumenta menos de 5%…durante 1 milhão de anos. Isto significa que o pulsar pode ser utilizado como um relógio de grande precisão, comparável com os melhores relógios atômicos… Quando se estudam as características   do sistema, esta é uma propriedade bastante útil.

A grande estabilidade do ‘período pulsante‘ significa – de fato – uma boa medida do tempo de uma órbita do sistema de pulsares, observado da Terra. O período observado varia de algumas dezenas de microssegundos, isto é, por uma quantidade muito maior que a variação de seu valor médio, devido ao efeito Doppler.  –  O que leva à conclusão que o pulsar observado se move em uma orbita periódica; tendo, portanto, companhia.

(Quanto mais o pulsar se aproxima da Terra…maior a frequência do seu pulso – ao se afastar – sua frequência diminui… Das variações no ‘período pulsante’ deduzimos sua velocidade orbital… – além de outras características importantes do sistema.)

Detectando (indiretamente) ondas gravitacionais                                                        As ondas de rádio do pulsar são emitidas em 2 feixes diametralmente opostos — que varrem o espaço com a mesma velocidade de sua rotação (figura superior). A partir       de um pulsar binário, as ondas gravitacionais são também emitidas (figura abaixo).

PULSAR

Uma observação muito importante feita durante o acompanhamento do sistema por alguns anos, foi a constatação de uma diminuição do período orbital… – os 2 corpos girando cada vez mais rápido sobre o outro, numa órbita cada vez mais estreita. Isto concordava com predições teóricas… – logo após a descoberta do pulsar…A ‘mínima alteração’… semelhante à redução do período orbital de cerca de 75 milionésimos de segundo/ano – mas que, ao longo do tempo suficiente de observação…é mensurável.

A ocorrência desta variação foi prevista, considerando que o sistema emite energia na forma de ‘ondas gravitacionais‘; conforme o que … em 1916, Einstein predisse para ‘corpos massivos’… em movimento relativo entre si.

De acordo com dados mais recentes, o valor teoricamente calculado – a partir da teoria da relatividade, difere do valor observado em cerca de 0,5 %. – O primeiro relatório foi apresentado pela equipe de Taylor no final de 1978, 4 anos após haver sido relatada a descoberta do pulsar binário.

LISA (ilustração) opera por procurar flutuações no comprimento dos braços adjacentes de um triângulo eqüilátero cujo comprimento do lado é de 5x106km formado pelas espaçonaves localizadas nos vértices do triângulo. http://www.oal.ul.pt/oobservatorio/vol8/n2/vol8n2_5.html

LISA (ilustração) opera por procurar flutuações no comprimento dos braços adjacentes de um triângulo equilátero cujo comprimento do lado é de 5 x 106 km formado pelas espaçonaves localizadas nos vértices do triângulo.

Astronomia de Ondas Gravitacionais

A boa concordância do ‘caminho orbital’ entre o valor teoricamente calculado e o observado pode ser deduzida como uma “prova indireta” da existência das ondas gravitacionais.

Porém, provavelmente, teremos que esperar até o século XXI para a demonstração direta de sua existência… – Não obstante… muitos projetos de longo prazo já se iniciaram – na expectativa de futuras ‘observações diretas‘ das ondas gravitacionais sobre a Terra…

Nesse sentido… – a Astronomia de Ondas Gravitacionais’ já figura na ‘astronomia observacional’, como seu mais recente ramo; onde a ‘Astronomia do Neutrino’ é seu mais direto sucessor. ##(texto original)##

Outras fontes: Detecção de Ondas Gravitacionais em Interferômetros # Projeto LISA     ‘À procura das ondas que são uma outra janela para o universo’  #  #  ‘LISA no espaço’   ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Prova indireta da existência de ondas gravitacionais (16/09/2006)

ondas gravitacionaisAstrônomos usaram um par de pulsares, PSR J0737-3039 A e B, em órbita um do outro … para mostrar que a Relatividade Geral de Einstein está correta, dentro de uma margem de erro de 0,05%…o limite mais estrito para ‘campos gravitacionais extremamente intensos’, até hoje.

O pulsar duplo de rádio… conhecido desde 2003 é composto de 2 estrelas de neutrons, e se encontra há 2.000 anos-luz de distância… — na direção da constelação Puppis (Popa). Cada uma delas pesa mais que o Sol…mas, com diâmetro de cerca de 20 km… Completam uma órbita em torno da outra a cada 2,4 horas… – na velocidade de 1 milhão de kms/hora.

As 2 estrelas emitem ondas de rádio que são detetadas como pulsos, cada vez que o raio aponta na direção da Terra… Ao medir com precisão as variações no tempo que os pulsos levam para chegar, foi comprovado que o movimento das estrelas obedece rigorosamente às previsões deduzidas a partir da Relatividade Geral (RG)… — A co-autora, Ingrid Stairs explica como medir a distância dos pulsares em relação ao centro de massa comum… – o ponto em torno do qual ambos giram:

“O pulsar maior está mais perto do ‘centro de massa‘ que o menor…e isso nos permite calcular a razão entre as massas”…(Essa razão é independente da teoria usada para explicar a gravidade, e portanto… define limites para testar a precisão da RG – ou qualquer teoria alternativa)

Outros efeitos previstos por Einstein também foram observados – o espaçotempo ao redor do pulsar B é curvo; e o tempo passa mais devagar para o pulsar A quando ele mergulha mais profundamente no campo gravitacional do companheiro…  –  Cada um desses efeitos representa um teste para a Relatividade Geral. – Além disso…a distância entre os pulsares está caindo a uma taxa de 7 milímetros ao dia. A teoria gravitacional de Einstein prevê que o sistema duplo deve perder energia devido à emissão de ondas gravitacionais. (texto base) ************************************************************************************

EINSTEIN ESTAVA CERTO, DE NOVO  (04/07/2008)

A equipe de René Breton, do Dpto. de Física da Universidade McGill/Canadá, monitorou o pulsar duplo PSR J0737-3039A/B… – de dezembro de 2003…a novembro de 2007, pelo Telescópio Green Bank, Virginia /EUA. – Segundo Breton…“Um pulsar binário fornece as condições ideais para testar os conceitos da ‘Relatividade Geral’… pois – quanto maiores e mais próximas as massas estiverem uma da outra, maiores os efeitos da relatividade.”

“Nós iremos, portanto, assumir a completa equivalência física entre um campo gravitacional – e a correspondente aceleração de um sistema de referencia…  Esta hipótese estende o ‘principio da relatividade especial’       a sistemas de referencia uniformemente acelerados”, escreveu Einstein.

Ele previu que, em um campo gravitacional forte como esse – o eixo de rotação                     mudaria lentamente de direção, à medida que o pulsar orbita seu companheiro.

“Imagine um pião no momento em que gira em uma posição levemente não vertical,       com o eixo de rotação mudando de direção aos poucos… Trata-se de um movimento conhecido como precessão”… como explicou Victoria Kaspi… co-autora do trabalho.

Os cientistas descobriram que um dos pulsares está, realmente em movimento de precessão, como previsto por Einstein em 1915. Se o genial físico alemão estivesse               errado… – o pulsar não se moveria dessa forma. Einstein estava certo…. de novo  *****************************************************************************

Descoberta uma maneira de visualizar deformações do ‘espaçotempo’
“A única forma de radiação que um buraco negro emite é gravitacional. Isto porque       um buraco negro distorce o espaço e o tempo à sua volta — criando modulações que       se propagam, e nos vêm contar exatamente o que aconteceu”.  (Karsten Danzmann)

Estes são vórtices em formato de anel ejetados por um buraco negro estelar, pulsante. No centro há duas linhas vortex vermelhas e duas azuis ligadas ao buraco, que serão ejetadas como um terceiro vórtex em formato de anel na próximo pulsação do buraco negro.[Imagem: The Caltech/Cornell SXS Collaboration]

Estes são vórtices em formato de anel ejetados por um buraco negro estelar, pulsante. No centro há 2 linhas vortex vermelhas e duas azuis ligadas ao buraco, que serão ejetadas como um 3º vórtex em formato de anel na próximo pulsação do buraco negro. [The Caltech/Cornell SXS]

Quando 2 buracos negros colidem, o espaçotempo ao redor ondula…como o mar numa tempestade… Essa deformação é tão complicada… que os físicos não foram capazes de detalhar, o que lá realmente acontece… – Pelo menos… – não até agora…

Segundo explica Kip Thorne…físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), EUA“Nós descobrimos uma forma de ver a deformação do espaçotempo … como nunca havia sido possível”.

Combinando teoria com simulações …Thorne e colegas desenvolveram ferramentas conceituais que eles apelidaram de linhas tendex e vortex. Estas…descrevem as “forças gravitacionais” do espaçotempo deformado…semelhante às linhas de campos eletromagnéticos, ao descrever suas forças.

Usando esse novo método…eles descobriram que as colisões de buracos negros podem produzir linhas de vórtices, que formam um padrão em forma de anel… parecido com anéis de fumaça espalhando-se a partir do novo ‘BN’ formado pela fusão… – Este ousado conceito de ‘linhas tendex e vortex‘ representa portanto uma nova forma de entender buracos negros, gravidade, e a natureza cósmica… – Como diz Mark Scheel, responsável pelas simulações:

“Usando essas ferramentas, podemos agora interpretar muito melhor a enorme quantidade de dados que são produzidos em nossas simulações.   Os novos conceitos podem explicar, inclusive… as diferenças nas ondas gravitacionais geradas quando ‘BN’s colidem…sob diferentes ângulos”.

Há vários experimentos – em andamento e projetados – tentando detectar ondas gravitacionais, e o novo aparato teórico poderá ser útil na compreensão exata do           que se está detetando… – Dessa forma … o conceito de ‘linhas tendex e vortex      será uma “ferramenta padrão” nos estudos relativísticos… ‘texto base’ (abr/2011) ****************************************************************************

A colisão de 2 buracos negros distorceu o espaçotempo, e foi aqui detetada Estudos anteriores confirmaram a existência de “ondas gravitacionais” geradas pela aceleração (ou desaceleração) de objetos maciços…através de métodos indiretos. – A descoberta do observatório ‘LIGO‘… – foi a primeira deteção direta desse fenômeno.

LIGO - detecção das ondas gravitacionais

Gráfico mostra a deteção das ondas gravitacionais pelos 2 observatórios LIGO. [National Space Foundation]

As ‘ondas gravitacionais’ – ondulações cósmicas que distorcem o espaço-tempo, foram diretamente detectadas pela 1ª vez na história!…  Em anúncio feito no dia 11/02/2016, pesquisadores do “Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory“…(‘LIGO‘)   relataram a detecção de “ondas gravitacionais”. O sinal captado veio da colisão de dois buracos negros, e foi detetado no dia 14/09/2015 por detetores gêmeos na Louisiana e   em Washington, EUA.

Esta colisão cósmica enviou ondas gravitacionais que viajaram na velocidade da luz, causando ondulações no tecido do espaçotempo…semelhante à forma como uma pedra perturba a água de uma lagoa quando é nela arremessada… Os pesquisadores disseram que a colisão ocorreu há 1,3 bilhões de anos – entre ‘buracos negros‘ com 29 e 36 vezes mais massa que o Sol. – Durante o evento, cerca de 3 massas solares foram convertidas     em ondas gravitacionais em menos de um segundo… – gerando…segundo os cientistas, uma potência de pico de aproximadamente 50 vezes a de todo o Universo visível.

A deteção das ondas gravitacionais é um marco na astronomia e astrofísica. Ao contrário de ondas de luz, ondas gravitacionais não ficam distorcidas… ou alteradas por interações com a matéria, enquanto se propagam pelo espaço… – Elas carregam a ‘informação pura’ sobre objetos e eventos que os criaram… E, como disseram os membros da equipe LIGO:

“Com esta forma completamente nova de examinar objetos e fenômenos astrofísicos…as ondas gravitacionais abrirão uma nova janela sobre o Universo, fornecendo vislumbres de maravilhas inéditas, e invisíveis … aumentando incrivelmente nossa compreensão da natureza do universo… – incluindo as noções do espaço… e do tempo em si”. (texto base)

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979... (s/ diploma)
Esse post foi publicado em astronomia, cosmologia, física e marcado , , . Guardar link permanente.

3 respostas para Em Busca do “Fundo de Ondas Gravitacionais”

  1. JMFC disse:

    Desde a a previsão das ondas gravitacionais previstas pela RG até aos nossos dias muito tempo passou mas finalmente estamos assistindo à sua confirmação. De modo indireto foi constatado na CMB e agora com a melhoria da sensibilidade dos aparelhos que as pretendem observar diretamente será uma questão de mais algum tempo… Um artigo excecional e esclarecedor, como em tudo o que faz e divulga. (JMFC)

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