Do “Fundo Cosmológico das 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-prudenteOndas 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 detetor 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.

pulsar-ilustração

Pulsar em um sistema binário… ‘Science’ 26 April 2013. (John Antoniadis)

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

LISA (ilustração) opera procurando flutuações no comprimento dos braços adjacentes de um triângulo equilátero cujo comprimento do lado é de 5 milhões de kms 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)

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Astrônomos 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  *****************************************************************************

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.

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A deteção das ondas gravitacionais pelos 2 observatórios LIGO. (NSF)

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) ************************************************************************************

“fundo cosmológico de ondas gravitacionais”

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Ao falarmos de ‘ondas gravitacionais’, decerto que a maioria… associa a sua produção – a ‘eventos astrofísicos’ de grande violência, envolvendo objetos exóticos … extremamente compactos (buracos negros, p. ex.)… localizados no ‘espaçotempo’. Existe, no entanto, outra fonte de “ondas gravitacionais” cujas características … diferem – por completo…das fontes do nascimento   e expansão do Universo.

De acordo com o “modelo cosmológico padrão” … – o nascimento do universo teria sido o acontecimento mais violento já ocorrido, mas as ondas gravitacionais produzidas por este evento não se encontram localizadas — e formam um fundo de radiação gravitacional que preenche todo universo da mesma forma que a ‘radiação cósmica de fundo’ (RCFM), ou o ‘fundo cosmológico de neutrinos’.

Nos finais dos anos 30 do Séc. XX, Erwin Schrödinger … um dos fundadores da mecânica quântica, percebeu que num universo em expansão existe uma produção não desprezável de partículas em função da aceleração da expansão…Este resultado deixou-o tão chocado que no artigo onde esta descoberta é relatada…Schrödinger usa a expressão – “fenômeno alarmante” … para descrever este resultado…e decide abandonar todos os modelos onde esta produção acontecia por a considerar totalmente irrealista.

Mas, afinal… o que isto tem a ver com a produção de ondas gravitacionais?… – A resposta é simples … da mesma maneira que um fóton (a partícula mediadora da interação eletromagnética) pode ser associado a uma onda eletromagnética (pela dualidade onda-partícula da mecânica quântica)…podemos postular a existência           de uma partícula elementar mediadora da interação gravitacional, o Gráviton, e fazendo uso da dualidade onda partícula… associá-lo a uma ‘onda gravitacional’.

polarização ondas gravitacionais

As ondas gravitacionais existem em 2 estados de polarização normalmente designados por (h+) e (hx). A polarização fornece, entre outras coisas, informação sobre a inclinação do plano orbital de um sistema binário em relação ao observador. Quando a linha de observação é paralela ao plano orbital do sistema, cada uma das componentes aparenta mover-se numa linha reta, e neste caso é possível mostrar que a polarização das ondas gravitacionais emitidas será linear. Se, pelo contrário, a linha de observação for normal ao plano orbital, o movimento das estrelas será circular, assim como a polarização observada. Entre estes 2 casos limite existe uma gama de valores possível para a inclinação do plano orbital, que poderia ser deduzida através da polarização do sinal observado. (FONTE)

O gráviton — tal como o fóton, não tem massa — move-se à velocidade da luz, e tem spin 2. Note-se que, a principio isto poderia dar origem a 5 estados de spin… – mas… devido às simetrias da teoria… só 2 desses estado são independentes, e daí…2 “estados de polarização“… para as “ondas gravitacionais“.

Levando em conta a descoberta de Schrödinger… de que um universo em “expansão acelerada”… produz ondas gravitacionais é interessante notar que a produção de partículas está associada à aceleração… e não diretamente à expansão. Aliás esta observação  seria de importância crucial, no contexto da cosmologia inflacionária.

Contudo, apenas em meados dos anos 70 fomos capazes de perceber… – em grande parte devido ao trabalho seminal de Lenid Grishchuk – que não existe nada de alarmante neste fenômeno, que têm origem nas flutuações quânticas que povoam o vácuo… – Ocorre que, quando o comprimento de onda de uma destas flutuações é “esticado”…  –  para além do horizonte cosmológico (que em geral é da ordem de grandeza do inverso da constante de Hubble…H-1), a flutuação é “congelada“… podendo – a partir daí… – ser vista como uma “onda gravitacional“… amplificada pela expansão do universo.

Uma das imagens mais intuitivas para este processo foi desenvolvida por Grishchuk…         e baseia-se na semelhança entre as equações que descrevem a amplificação das ondas gravitacionais, e as equações que descrevem o “efeito tunelamento” de uma partícula numa barreira de potencial V=ä/a, onde a é o ‘fator de escala do universo’ e ä indica a segunda derivada.

Tal como Schrödinger tinha percebido, o importante neste caso é a aceleração da expansão (ä)…e não a velocidade da expansão… – Como ilustra a figura abaixo… enquanto a onda se encontra debaixo da barreira de potencial a sua amplitude é constante…sendo amplificada quando comparada com um onda cuja amplitude é amortecida, enquanto dura a expansão.

A amplificação de ondas gravitacionais induzida pela aceleração do Universo. “k” é o número de onda, e “a” o fator de escala do Universo. Crédito: Luís Mendes.

O resultado final, em geral… é uma ‘sobreposição incoerente‘ de ondas gravitacionais … que resultam num fundo que se assemelha em grande parte… a ruído.

Embora a origem quântica deste “fundo cosmológico”…introduza correlações sutis, entre as varias ondas … não é certo que possam     ser detetadas.

A possibilidade mais viável dessa situação ocorrer… – se dá por um efeito na ‘polarização’ da radiação cósmica de fundo. Ou, quem sabe, num futuro não muito longínquo, se um detetor de ondas gravitacionais for afetado por níveis de ruído muito acima do que seria de se esperar, talvez essa seja uma boa notícia.

Uma janela sobre os instantes iniciais do Universo

Admitindo que este fundo de ondas gravitacionais é real, devido à sua fraca capacidade de interagir – as ondas gravitacionais desacoplaram da matéria em frações de segundo após o Big Bang – Por isso… da mesma forma que os mapas da “radiação cósmica de fundo” produzidos pelos satélites ‘COBE’ e ‘WMAP’ nos mostram uma imagem do Universo… no instante em que radiação e matéria deixaram efetivamente de interagir…(quando a idade do Universo era, aproximadamente, 200 mil anos)… um mapa do “fundo cosmológico de ondas gravitacionais” seria basicamente, uma imagem do Universo imediatamente após   o Big Bang!… (uma tal observação se tornaria uma das mais extraordinárias descobertas que, neste momento, podemos imaginar).

O Universo segundo WMAP. Crédito: WMAP/NASA.

Para além do fascínio que a possibilidade de observar o nascimento do cosmos tem sobre os cosmólogos… esta não é a única razão para se justificar investimentos no estudo deste tópico… Uma vez que o fundo de ondas gravitacionais está desde muito cedo desacoplado da matéria, qualquer processo que com ele se correlacione durante a evolução do Universo, deixará uma marca…que se manterá inalterada (à parte o desvio de redshift das ondas gravitacionais pela expansão do Universo) até os dias de hoje.

Medindo as características espectrais do “fundo cosmológico de ondas gravitacionais” podemos ver a história do Universo…desenrolar-se diante dos nossos olhos… – As figuras abaixo ilustram este ponto. O primeiro fato que se torna claro ao observar essas figuras…é a extensão da gama de frequências produzidas: 30 ordens de grandeza! Para ter uma ideia do significado desta extensão…basta reparar que as frequências correntemente usadas em astronomia estendem-se desde o domínio das ondas rádio (f~106 Hz)… até aos raios gama (f~1020 Hz), ou seja “apenas” 14 ordens de grandeza!

Tendo em conta a variedade das descobertas feitas nesta banda “tão limitada” de frequências durante os últimos 100 anos… é impossível     prever o que a … “astronomia de ondas gravitacionais” … nos trará.

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A densidade espectral de ondas gravitacionais no modelo inflacionário padrão e num modelo de inflação térmica. Crédito: Mendes & Liddle PRD 60 063508.

A quantidade Ωgw(f) … representada nestas figuras é chamada densidade espectral de energia — uma medida da fração de energia no universo na forma de ‘ondas gravitacionais‘ … a uma dada frequência (f) … medida em relação à energia total (Ω)… de um ‘universo plano’. Só para se ter uma ideia do significado deste nº… atualmente todos os dados indicam que a “densidade” do universo tem um valor muito próxima de 1… – o valor de Ω para um universo plano.

A figura acima mostra 2 modelos distintos…o modelo inflacionário padrão e outro modelo, chamado ‘inflação térmica’… – Os 2 modelos produzem espectros de “ondas gravitacionais” com características distintas. De acordo com um esboço das curvas de sensibilidade do LISA       e LIGO II a deteção do ‘fundo gravitacional’ dificilmente acontecerá nos próximos anos.

Muito embora no caso do modelo inflacionário padrão o espectro não seja particularmente interessante… – nota-se que…para frequências abaixo de 10-17 Hz…a curva sobe em relação ao patamar observado para altas frequências. É esta parte do espectro que, eventualmente, pode deixar a sua marca na polarização do fundo cósmico de micro-ondas.

Apesar da polarização da radiação cósmica de fundo produzida pelo fundo cósmico de ondas gravitacionais ser extremamente difícil de detetar (e de fato, não foi até hoje) as barreiras técnicas são bem mais acessíveis de se transpor … do que no caso da deteção direta do “fundo cosmológico de ondas gravitacionais”.

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A densidade espectral de ondas gravitacionais numa variante do modelo de pré Big Bang. Crédito: Mendes & Liddle PRD

A figura ao lado mostra os resultados obtidos para uma variante de modelo conhecido como pré Big Bang. Como o nome indica…nele o universo existe ainda antes do Big Bang…O espectro de “ondas gravitacionais” produzidas neste tipo de modelo — parece muito mais promissor — do que no caso do tipo inflacionário, e sua deteção seria a princípio…possível com o ‘LISA’…e marginalmente… – com o…’LIGO II’.

Mesmo que… modelos deste tipo não tenham hoje em dia grande aceitação – entre outras razões… por ser quase impossível unir, de modo contínuo, a evolução do Universo antes e depois do Big Bang…de toda maneira, ilustram a variedade de constrangimentos que é possível impor a um modelo cosmológico a partir do espectro do fundo cosmológico de ondas gravitacionais por ele produzido… Mas, isso não é tudo…

Embora pequena, a contribuição do “fundo cosmológico de ondas gravitacionais” à energia total do universo, não é desprezível… – Em um modelo que produza “ondas cosmológicas” em excesso…a ‘nucleossíntese (formação dos elementos leves que compõem o Universo, ocorrida alguns minutos após o Big Bang) produziria ‘Hélio’ em quantidades diferentes do que hoje observamos.

Vemos assim que algo que começou como um “fenômeno alarmante”…é de fato…uma fonte preciosa de informação sobre a evolução do Universo… A persistência compensa!

No entanto, o grande trunfo das ondas gravitacionais é também seu ponto fraco… – sua predisposição para não interagir com a matéria, que lhe permitiu atravessar o Universo transportando a sua mensagem inalterada desde a criação, significa também, que a sua interação com um detetor será extremamente improvável… — (mas, não impossível!…)

Os cientistas envolvidos nos maiores detetores atuais, em construção… – têm considerado seriamente…nos últimos anos… – todas as possibilidades práticas de deteção desse fundo cosmológico de ondas gravitacionais…E, embora sua deteção direta ainda não esteja ao nosso alcance…as dificuldades que se colocam no presente são essencialmente técnicas, não existindo qualquer razão física … que nos impossibilite o seu “registro micrométrico“.

Embora seja um problema diferente … podemos comparar esta situação com o que se passou com a medição das anisotropias do fundo cósmico de microondas pelo satélite COBE. – Por várias décadas, a deteção de anisotropias na temperatura parecia estar fora do alcance de qualquer estimativa mais realista, até que o sonda espacial ‘COBE’ lançada em 1989… – conseguiu realizar aquilo que parecia impossível!… (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 Do “Fundo Cosmológico das 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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