Sob um “Fundo Cósmico de Ondas Gravitacionais”

As ‘ondas gravitacionais (‘longitudinais’ como o som) têm uma vantagem                    adicional…em relação às demais (‘transversais’ … como as eletromagnéticas);                  elas carregam informação sobre todos instantes iniciais importantes…que se                  seguiram ao…’Big Bang‘, muito mais remotos…do que hoje podemos medir. 

ondasgravitacionais

Werner Benger, Zuse-Institut Berlin and Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Em sua “teoria da relatividade”, Einstein propôs a existência de movimentos                        sinuosos pelo espaço-tempo – provocados pelo deslocamento de objetos. Tal                        como um barco imprime ondas no mara energia resultante do nascimento                        do Cosmos amarrota o tecido universal à medida que se deslocaSegundo o                      físicogravidade‘ é a forma como uma massa deforma o espaço. Perto de                          qualquer corpo massivo o espaço fica curvado. Porém, a ondulação não se                        concentra junto ao objeto que a provocou na verdade, ela se propaga pelo                      Universo…assim como ondas sísmicas se deslocam por toda crosta terrestre. Diferentemente destasporém – ondas gravitacionais são capazes de viajar                        pelo vazio do espaço-tempoà velocidade da luz, distorcendo o tecido do                        Universo. Se originam de eventos cataclísmicos: tais como fusão de buracos                            negrosexplosões estelares…e até mesmo, o próprio “Big-BangÉ por aí,                          que transita a…”relatividade geral“…de Einstein. – Apesar de muitas das                            previsões de sua ‘teoria da gravitação‘…já terem sido confirmadas – pela                            dificuldade em detetar diretamente ‘ondas gravitacionais’, por muito tempo                      somente algumas evidências indiretas de sua existência foram encontradas.                      Einstein as previu em 1916, na sua“Relatividade geral”enquanto Taylor,                        Fowler, e McCulloch relataram sua (primeira) evidência indiretaem 1979.  ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Gravidade investigada com sistema de ‘pulsar binário’ (out/1993)                            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 como um                          sistema de cargas elétricas em movimento emite “ondas eletromagnéticas”.

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 em 1974 no radiotelescópio de Arecibo … Porto Rico, de um novo tipo de pulsaruma espécie de farol cósmico em rápida rotação, produzido por um objeto astronômico, com massa um pouco maior que a do sol, e raio de cerca de 10 kms, cuja luz piscante se situa dentro da região das ondas de rádio, abrindo assim novos caminhos, ao estudo fundamental da ‘gravitação‘.

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.

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

Por muito tempo… a “teoria da relatividade”    foi considerada… – esteticamente bonita…e satisfatória – e provavelmente correta, mas      de pouco significado prático à 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      sua posição no céu)… ‘revolucionou’ a área. Tratando-se de dois “corpos astronômicos” pequenos… – 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 avariação do periastro, ou seja…a rotação da órbita elítica que o pulsar executa no sistema conforme 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. – A grande diferença entre 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. Como consequência, o “tempo orbital” do pulsar binário é menor que 8 horas. — Sabendo que quanto mais o pulsar se aproxima da Terramaior a frequência do seu pulso…e portanto, ao se afastar – sua frequência diminui – das variações no “período pulsante”… deduzimos sua… – “velocidade orbital”… – além de outras características importantes do sistema.

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. Neste caso, o período observado varia de poucas dezenas      de microssegundos, e isto significa…uma quantidade muito maior do que a variação de      seu valor médio, devido ao “efeito Doppler”. O que leva inevitavelmente à conclusão de que o pulsar observado se move em uma orbita periódica…tendo, portanto, companhia.

Detetando (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 previsto por Einstein em 1916, 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 observado,    em cerca de 0,5 %. O 1º relatório é de 1978, 4 anos após a revelação do pulsar binário.

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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. Contudo, provavelmente, teremos que esperar… – até o século XXI,      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 incidindo sobre a Terra.

Nesse sentido … a Astronomia de Ondas Gravitacionais”… já figura na astronomia observacional como seu mais recente ramo (tendo a Astronomia do Neutrino como seu mais direto sucessor)(texto original) p/consulta: Deteção de Ondas Gravitacionais  em Interferômetros  ‘Projeto LISA’  Uma outra janela para o universo  ‘LISA no espaço’  ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Prova indireta da existência de ondas gravitacionais (set/2006)                                  “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 assim portanto, define limites para testar a              precisão da RG – ou, qualquer teoria alternativa”. (Ingrid Stairs … co-autora) 

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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 extremos’, até hoje. – O pulsar duplo de rádio, conhecido desde 2003 se compõe      de 2 estrelas de neutrons…e se encontra      a 2 mil anos-luz de distância, na direção      da constelação Puppis (Popa). Cada uma pesa mais que o Sol, com um diâmetro de cerca de 20 km. Completam uma órbita em torno da outra, a 1 milhão de kms/h, em 2,4 horas.

As 2 estrelas emitem ondas de rádio, 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… comprovou-se que o movimento das estrelas                obedece rigorosamente às previsões deduzidas a partir da “Relatividade Geral”.

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

“Fundo Cósmico de Ondas Gravitacionais” (fev/2007)                                                      É de se notar que ondas gravitacionais nunca entrariam em equilíbrio com                         a matéria…pois, pela natureza da gravidade, não haveria tempo suficiente                        para uma “homogeneização” adequada… — Como consequência… para um                        observador externo…o “FCOG” não exibirá uma única temperatura média.

No ‘Modelo Padrão da Cosmologia’… o Universo em seus primórdios… passou por uma fantástica expansão. Esta fase ‘inflacionária‘, após um trilionésimo de segundo, acabou em uma violenta conversão de energia … em matéria quente…e radiação. Este processo de “reaquecimento resultou em uma ‘inundação de ondas gravitacionais, de tal forma – que alguns cosmólogos até o identificam como o… princípio dos tempos.

fundo de ondas gravitacionais

Comparando este ‘Fundo Cósmico de Ondas Gravitacionais‘ (FCOG), com o Fundo Cósmico de Microondas (CMB)  (‘cosmic microwave background’) – o 1º  data de 1 trilionésimo de segundo … já o CMB foi estabelecido…cerca de 380 mil anos mais tarde, quando os 1ºs ‘átomos’ se formaram, numa única avalanche de fótons equilibrados com o ‘meio gasoso’, antes das frequências caíremdevido à expansão cósmica, resultando no ‘CMB’.

Como ‘ondas de ultravioleta’…foram subitamente liberadas para viajar através do espaço, sendo, atualmente… observadas na temperatura uniforme de 2,7ºK… – O mapa geral em  microondas no céu também mostra marcas da inomogeneidade da matéria … que já existia desde então. Mas, o que seria o FCOG?…Ele se origina de 3 processos produtivos, em funcionamento durante a ‘Era Inflacionária’: 1) ondas originárias da expansão inicial do próprio universo; 2) ondas provenientes da colisão de ‘bolhas’ de matéria requentada,  pós inflação… 3) ondas resultantes da ‘turbulência fluida’ das “fontes primordiais” de matéria e radiação… – antes de se chegar ao equilíbrio entre elas (‘Era da Termalização’).

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LISA – A Antena Espacial de Interferômetro a Laser deteta diretamente ondas gravitacionais pelas leves perturbações do espaço (NASA/ESA)

Juan Garcia-Bellido, e Daniel Figueroa,  pesquisadores da “Universidade de Madrid” explicam em novo trabalho como poderiam    ser detetados e diferenciados…esses típicos processos, por modernos instrumentos tais  como o ‘LISA’  projetado para “ver” ondas gravitacionais. A princípio, o FCOG estaria desviado para o vermelho, tal como o CMB. Contudo, devido à sua origem anterior… tal desvio seria ainda mais acentuado…energia    e…frequência de ondas, estariam defasadas  da ordem de 24 magnitudes. Além disso, as ondas do fundo gravitacional, originário do reaquecimento após a inflação… teriam um espectro muito mais largo … do que “fontes pontuais” – como…p. ex. 2 BNs em colisão. 

O FCOG, ao contrário de fontes pontuais com “sinal espectral” bem definido, teria uma banda espectral centrada em torno de 1 Hz…até          um limite de 1 GHz; conforme a escala inflacionária então aplicada.

Garcia-Bellido sugere que…se tal detetor pudesse desemaranhar os sinais do ‘FCOG,          em relação ao “inflacionário”, poderia explorar algumas questões fundamentais – tais como assimetria matéria/antimatéria; produção de defeitos topológicostipo ‘cordas cósmicas’; campos magnéticos primordiais; e até mesmo ‘matéria escura’. (texto base********************************************************************************

EINSTEIN ESTAVA CERTO, DE NOVO  (04/07/2008)                                                    “Nós iremos 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”.  (Einstein – “Princípio da Equivalência”)

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, EUA. Segundo Breton: “Um                          pulsar binário fornece as condições ideais para testar conceitos básicos da                    ‘Relatividade Geral’, pois quanto maiores e mais próximas se encontrarem as                    massas uma da outra…tanto maior os efeitos relativísticos.” – E, de fato, com                      base em seu “Princípio da Equivalência”, Einstein previu que…em um campo                    gravitacional tão forte – o eixo de rotação mudaria lentamente de direção – à                      medida que o pulsar orbita seu par. – Victoria Kaspi … co-autora do trabalho,                      assim explica: “Imagine um pião no momento em que gira levementenuma                    posição não vertical – com o eixo de rotação aos poucos mudando de direção.                    Com efeito, este fenômeno trata-se do conhecido movimento de precessão.

Os cientistas descobriram então…que um dos pulsares está, realmente em                            movimento de precessão, como previsto por Einstein em 1915. (texto base)  *********************************************************************

“Fundo cósmico gravitacional”                                                                                                Uma das características mais interessantes das ‘ondas gravitacionais‘ é a sua limitada capacidade de interagir com matéria no caminho. Assim, as que foram produzidas nos momentos iniciais do universo, viajaram até nós…mantendo a marca característica do processo que lhes deu origem (exceto o ‘desvio para o vermelho’ da expansão cósmica).

Ao falarmos de ‘ondas gravitacionais’, associamos a sua produção a eventos astrofísicos    de grande violência, que envolvem objetos densos ao extremo (buracos negros, pulsars) localizados no ‘espaçotempo’. – Existe, no entanto, outra fonte de ‘ondas gravitacionais’ cujos atributos… diferem totalmente.  Conforme o ‘modelo cosmológico padrão, o início cósmico foi o evento mais intenso já ocorrido, entretanto as ondas gravitacionais produzidas no ‘Big Bang’ não se acham localizadas, formando um fundo de radiação gravitacional que permeia todo Universo  de forma similar à “radiação de fundo cósmico em microondas” (‘CMB‘)… ou, ao…“fundo cósmico de neutrinos”.  Em fins dos anos 30do Séc. XX, Erwin Schrödinger, um dos fundadores da mecânica quântica, percebeu que num Universo em expansão, há uma produção não desprezável    de partículas…em função de uma “aceleração da expansão“. – Este resultado deixou-o    tão chocado – que no artigo onde a sua descoberta foi relatada…o próprio Schrödinger      usa a expressão…fenômeno alarmante…para descrever este resultado — e decide abandonar todos os modelos onde esta produção acontecia…por considerá-la ‘absurda’.

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, pela dualidade onda-partícula da mecânica quântica a uma onda eletromagnética – 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)

“Flutuações gravitacionais”      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 deles independentes daí…2 estados de polarização p/ondas gravitacionais.

Como, segundo Schrödingerum Universo em “expansão acelerada” produz…ondas gravitacionais…é    a aceleração da expansão‘, a responsável direta, pela produção de partículas durante o ‘Big Bang’. 

Esta observação, aliás 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 Grishchukque 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 em uma 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 geralé uma ‘sobreposição incoerente’ de ondas gravitacionais – que resultam num fundo que se assemelha em grande partea “ruído”. Embora a origem quântica deste ‘fundo cosmológico’ introduza sutis correlações entre    as diversas ondasnão é certo que tais fenômenos sejam ‘detectáveis’.    A possibilidade mais viáveldessa situação ocorrer … se dá por um efeito na ‘polarização’ da “radiação cósmica de fundo”, ou talvez se um detector de ondas gravitacionais adquira … sensibilidade — para tal.

Uma janela sobre os instantes iniciais do Universo                                                        Uma vez que o ‘fundo de ondas gravitacionais’ está desde muito cedo desacoplado    da matéria, qualquer processo que com ele tenha se correlacionado durante a evolução do Universo, deixará uma marca…que se manterá inalterada (…à exceção do desvio de redshift das ondas gravitacionais pela “expansão do Universo”)… — até os dias de hoje.

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 em microondas” (RCFM) produzidos pelos satélites COBE e WMAP…nos mostram a imagem do Universo no instante em que ‘radiação’ e ‘matéria’, deixaram efetivamente de interagir (quando a idade do Universo era, aproximadamente, 380 mil anos)…um mapa do “fundo cosmológico de ondas gravitacionais” (FCOG) seria, basicamente, uma ‘imagem cósmica’, imediatamente após o Big Bang!… – Medindo as características espectrais desse “fundo cosmológico gravitacional” vemos a história do universo desenrolar-se diante de nós.

As figuras abaixo ilustram este ponto. O primeiro fato que se torna claro ao observá-las…é a extensão da gama de frequências produzidas: 30 ordens de grandeza! Para ter uma ideia do significado dessa extensão…basta notar que as frequências usadas em astronomia hoje, 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!… Levando 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“… será capaz de nos oferecer.

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Densidade espectral de ondas gravitacionais no modelo inflacionário padrão, e de inflação térmica. [Mendes & Liddle]

A quantidade Ωgw(f) representa a ‘densidade espectral de energia’… uma estimativa cósmica da fração de energia de ‘onda gravitacional’,    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 dados indicam que a densidade cósmica Ω tem    o valor bem próxima de … o que corresponde a um universo plano.  A figura ao lado traz 2 modelos distintos… o modelo inflacionário padrão…e uma “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 em altas frequências, sendo parte do espectro que, eventualmente, pode deixar registrada sua própria marca na polarização da “radiação cósmica de fundo em microondas“.

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 são bem mais acessíveis de se transpor,                          do que na 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 ainda antes da singularidade… onde o espectro de…”ondas gravitacionais”  tem um aspecto bem mais promissor do que no caso do tipo ‘inflacionário’. Sendo assim, sua deteção a princípio, seria possível com oLISA– e talvez, até mesmo…inclusive com o…LIGO‘.  Mesmo com toda a dificuldade…para unir, de modo contínuo…a ‘evolução’ do Universo – antes e depois do “Big Bang”, modelos deste tipo ilustram a grande variedade, a partir do mesmo “fundo de ondas gravitacionais“.

Mas isso não é tudo. Mesmo pequena, a contribuição do ‘fundo cosmológico gravitacional’ à energia total do universo não é desprezível. – Num modelo com ondas cosmológicas em excesso… a “nucleossíntese(formação de elementos leves no universo ocorrida alguns minutos pós Big Bang) produziria ‘Hélio’ em quantidade diversa 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 cósmica. No entanto, o grande trunfo das ondas gravitacionais é também seu ponto fraco; sua predisposição de não interagir com matéria, que lhe permitiu atravessar o universo…transportando sua mensagem inalterada – desde o início dos tempos…significa também que sua interação com um detetor será um evento extremamente improvável (mas, não impossível!…) E…muito embora a deteção direta de tal ‘fundo cosmológico de ondas gravitacionais‘ ainda não esteja ao nosso alcance, as dificuldades que se colocam no presente…são essencialmente técnicas – não existindo qualquer razão física que nos impossibilite absolutamente 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) *********************************************************************************

Pesquisa limita a produção de ondas gravitacionais primordiais                          “Esses resultados são um grande passo … em direção à deteção de “ondas              gravitacionais primordiais”… ondulações no tecido espaçotempo,                  criadas à medida que o universo se expandia…em seus momentos iniciais”.

Acredita-se que o “Big Bang” tenha criado uma enxurrada de “ondas gravitacionais”,        que ainda preenchem o Universocarregando consigo informações sobre sua origem,        e sobre a natureza da ‘gravidade’… – impossíveis de se obter por qualquer ferramenta astronômica convencional. Essas ondas, observadas como um “fundo estocástico“, seriam análogas a uma superposição de ondas … com diferentes tamanhos e direções.        O ‘fundo cósmico de ondas gravitacionais‘ que emergiu logo após o “Big-Bang”, assim como a “radiação cósmica de fundo em microondas“…é um background    que contém valiosas informações sobre o início do Universo…Tentando obter alguma dessas informações, foi realizado um experimento com o objetivo de impor um limite superior de sua quantidade de ruído, para facilitar então…sua posterior identificação.  Assim…pesquisadores de ondas gravitacionais…incluindo os professores Lee Samuel      Finn, de astrofísica, e Benjamin Owen, de física, da Penn State University, obtiveram novas restrições a como era o universo em seus primórdios. – A análise dos dados da equipe – realizada de 2005 a 2007…estabeleceu limites ainda mais rigorosos sobre a quantidade de ondas gravitacionais que teriam advindo do “Big Bang”… Esse tipo de informação forneceria pistas vitais para entender a evolução estrutural do universo.

Como a pesquisa restringe a amplitude do “fundo de ondas gravitacionais”…a limites na faixa dos 100 Hz, o ruído sísmico proveniente de atividade geológica, geralmente abaixo  de 25 Hz, poderia ser suprimidocaso se efetue a pesquisa, a frequências relativamente altas. — Esse limite, segundo os pesquisadores, poderia refinar, ou até mesmo descartar modelos cosmológicos que preveem ‘fundos intensos’, em alguns processos primordiais,    podendo significar portanto um avanço em nossa compreensão da…”evolução cósmica”.    Os resultados da equipe associada à colaboração científica dos “Observatórios de Ondas Gravitacionais” LIGO e VIRGO estão publicados na edição de 20/08/2009 da “Nature”.    O LIGO pesquisa ativamente “ondas gravitacionais”…desde 2002 – enquanto o VIRGO entrou na ativa em 2007… A análise do LIGO coletou os dados dos interferômetros, em Hanforde em Livingston. Em ambos, um laser é dividido em dois feixes – que viajam para frente e para trás, pelos longos braços do interferômetro… de forma a monitorar a diferença entre os 2 comprimentos de braço transversais. – Pela ‘relatividade’…quando uma “onda gravitacional”…atravessa um braço do interferômetro – seu comprimento é levemente esticado, enquanto que no outro braço, é levemente contraído. A construção    do interferômetro permite detetar uma alteração menor que um milésimo do diâmetro    de um núcleo atômico entre os comprimentos dos braços um em relação ao outro.

tema20_3_4“O espaço-tempo é o ‘palco vivo’ no qual o drama cósmico se desenrola. – Ondas gravitacionais primordiais estocásticas, são suas deformações, torções e curvaturas…estabelecidas desde que o Universo…se expandia.  Todas observações, relatadas neste trabalho – são o exame direto mais próximo da estrutura respiratória de umUniverso ainda vivo”. (Lee Samuel Finn – membro da equipe) 

Para David Reitze, professor de física da Universidade da Flórida, e porta-voz da LIGO:    “As ondas gravitacionais são a única maneira de investigar ‘diretamente’ o Universo no momento do seu nascimento…sendo totalmente únicas nesse sentido. – Simplesmente,      é impossível obter tais informações por qualquer outro tipo de pesquisa…É isso que faz esse resultado tão especial – e a astronomia de ondas gravitacionais, tão emocionante”.      De acordo com Francesco Fidecaro, professor do “Instituto Nacional de Física Nuclear”    da Universidade de Pisa, e porta-voz da Virgo Collaboration‘: “A combinação de dados simultâneos dos interferômetros “LIGO” e “Virgo” fornece informações sobre fontes de ondas gravitacionais – inacessíveis por outros meios. É muito sugestivo que o primeiro resultado desse tipo de aliança utilize a característica única de ondas gravitacionais, capazes de sondar o…‘universo primordial’…Isso é muito promissor para o futuro”.  Maria Alessandra Papapesquisadora de Física Gravitacional (‘Instituto Max Planck’),      e também analista chefe do projeto acrescentou que “Centenas de cientistas trabalham duro para produzir resultados como este… projetando… conservando e operando os instrumentos com outras equipes preparando e analisando os dados para pesquisas astrofísicas, e desenvolvendo técnicas para localizar ‘sinais ultrassensíveis’ nos dados”.  

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) (‘Astronomy’****************************************************************************

Ondas gravitacionais primordiais permitem testar teorias cosmológicas    Ondas são perturbações que se propagam pelo espaço transportando apenas energia.

Ondulações no tecido do espaço-tempo poderão algum dia fornecer provas observáveis        das atividades dos instantes iniciais do Universo, revelando determinados processos de alta energiaatualmente inacessíveis até mesmo para oscolisores de partículas“.  ‘Ondas gravitacionais’ estão previstas na teoria geral da relatividade de Albert Einstein; isto porque objetos em movimento perturbam o espaçotempo gerando ondas similares        às de um barco navegando em um lago. Mas, sendo elas sutis…apenas os peso-pesados celestes produziriam efeitos detetáveis, como por ex: a colisão de 2 estrelas de neutron.

Uma resenha publicada na revista Science apresenta perspectivas de deteção de ondas gravitacionais primordiais produzidas no início cósmico … e que talvez ainda possam ser detetadas…pela marca que deixaram há bilhões de anos … ou, pelas ondulações que persistem até hoje. Tais ‘ondas primordiais’ poderiam ser o melhor meio…de testarmos modelos cosmológicos como o da ‘inflação’, onde o Universo recém-nascido inflou para algo 10e26 maior – num átimo de segundo.

“É impossível imaginar um mecanismo que nos abra outra janela direta, para um tempo tão próximo ao instante da criação”…(Lawrence Krauss, físico teórico da Universidade do Estado do Arizona, co-autor do estudo)

O primeiro lugar para se procurar a marca das ondas gravitacionais é no “Fundo Cósmico de Microondas” (CMB, em inglês), radiação remanescente de apenas 380 mil anos após o Big Bang, cujas flutuações de temperatura mapeiam regiões de maior e menor densidade do ‘universo jovem’…fornecendo pistas importantes sobre sua formação…e componentes estruturais. – A mensuração dessas flutuações, iniciada pela NASA, por meio da Sonda Anisotrópica de Microondas Wilkinson…(WMPA, em inglês)…posteriormente (em 2009) foi aprimorada, com o lançamento do “satélite Planck” pela “Agência Espacial Europeia”.  Os mapas do CMB feitos pelo WMPA, deram impulso à teoria da “inflação cósmica“, confirmando as predições do…”modelo inflacionário”…sobre o “Universo primordial”…e medições ainda mais precisas poderão trazer novas confirmaçõescomo explica Krauss:

“Os mesmos eventos que acreditamos terem formado os … ‘hot spots‘        do fundo cósmico de microondas também podem ter produzido ondas gravitacionais, cuja magnitude podemos estimar. A próxima geração            de satélites … talvez – ao menos … nos permita observar seus efeitos”.

Richard Easther, cosmólogo da “Yale University”…observa que as medições do CMB já estão fornecendo pistas, embora não completas, sobre a alvorada do Universo… “Na verdade, alguns cenários inflacionários já foram descartados porque produziriam mais ondas gravitacionais do que as mensurações atuais permitem… – principalmente as da missão WMAP”, diz ele. O Planck e outros experimentos agora estão trabalhando para superar limites ainda mais estritos. E conclui “Se a natureza nos ajudar…poderemos        ter a primeira evidência das ondas gravitacionais inflacionárias já nos próximos anos”. Mas se o “Planck”…e seus contemporâneos não obtiverem essas provas — uma missão        mais especializada de mensuração da “polarização” poderá ser necessária. (texto base)

‘Telescópio Einstein de Ondas Gravitacionais’  “RCFM – Flutuações na temperatura”    ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

Campo Magnético Primordial (dez/2009)                                                                            Nesta investigação é abordado o estudo do ‘campo magnético primordial’,                  ou seja, o campo magnético que se originou durante o Big-Bang, e desde então,              tem influenciado na formação das estruturas…que resultam no universo atual.

Pesquisadores do grupo de Astrofísica Galática da Universidade de Granada — Espanha  desenvolveram estudo para identificar a existência de um ‘campo magnético primordial’ no Universo. — O projeto está integrado à ambiciosa ‘missão Planck‘… cujo objetivo é definir variáveis fundamentais do Universo. Sob a coordenação de Eduardo Battaner López, e em colaboração com o ‘Instituto de Astrofísica de Canárias’ os cientistas estão medindo o campo magnético de nossa galáxia, a Via Láctea…Trata-se de uma iniciativa inovadora na astrofísica…pois envolve uma teoria sobre a existência no universo de um campo magnético primordial, o qual, até pouco tempo atrás, não era sequer aceito.

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A existência do campo magnético é uma propriedade da matéria derivada diretamente do fato de que partículas apresentam carga… Existem “campos magnéticos” – como o gerado por um imã…outros como o que possui nosso planeta Terra…ou, o que se apresenta    no Sol. Seja qual escala for…possuem      a capacidade de afetar objetos que se deslocam à uma certa velocidade – e, reorientar assim… — seu movimento.

Para determinados setores teóricos em astrofísica, ainda não se reconhece a ideia de que possa existir esse ‘campo magnético primitivo do universo. Entre outros motivos, porque nunca se conseguiu a sua medição, o que é uma tarefa bem difícil. A possibilidade de sua confirmação revolucionará o conhecimento atual sobre os ‘fenômenos do cosmos’, ao se refazer estas questões, com mais variáveis, como a derivada do campo magnético’.

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O ‘campo magnético galático’    O estudo de “campos magnéticos” engloba uma abordagem… a nível       de planeta…estrela…e, galáxia… É razoável pois…que antes de medir    o ‘campo primordial do universo’se identifique os efeitos do campo magnético gerado na “Via Láctea”.

Os dados estudados neste projeto foram obtidos pelo satélite WMAP, enviado ao espaço em 2001, para coletar informação sobre a “radiação cósmica de fundo“…a diferentes temperaturas. Beatriz Ruiz, pesquisadora do grupo, explica que…“Este satélite fornece informações necessárias para se conhecer…a “origem” e “evolução” do universo. Nesse estudo foi utilizada a informação do…‘WMAP’…em sua frequência mais baixa (22 GHz), correspondente à “radiação síncrotron de elétronsem torno de um campo magnético”.  Com esta radiação se obtém, de forma indireta, informação sobre o campo magnético da Via Láctea…A coleta…análise…e tratamento de toda essa informação gerada pelo satélite permitirá traçar um modelo explicando a existência e distribuição do…campo magnético galático…que é o 1º passo. A partir do nosso sistema solar, os satélites recebem, em 1º lugar, a radiação do“campo magnético da Via Láctea” (ocultando a radiação do campo magnético primordial). – Desse modo, definido e subtraído o campo magnético galático, será possível estudar a “radiação exterior”...Já foram obtidos resultados nesta 1ª fase do projeto…com os quais se propõe que o campo magnético da Via Láctea é “axissimétrico” (simétrico em relação a um eixo) com forma espiral…Os braços espirais magnéticos não coincidem com os braços espirais de matéria…que definem a Via Láctea como galáxia.

Este modelo para o ‘campo magnético’ contrasta com outros métodos de observação de campos magnéticos, distintos aos da ‘radiação síncrotron’ — como a medida da rotação   dos pulsares, ou distribuição de campos de raios cósmicos. Após sua validade, torna-se então possível uma abordagem relativa ao estudo do “campo magnético universal“.

A partir do “Big Bang”                                                                                                              Segundo a teoria geral da relatividade, o Big Bang e a expansão do universo                          teriam gerado… ‘ondas gravitacionais‘…que viajam pelo espaço até hoje. 

O ‘campo magnético primordial’ é explicado teoricamente, como tendo surgido, no exato momento em que ocorreu o Big Bang. Neste estudo da radiação emitida em tal campo magnético serão utilizados dados do ‘satélite Planck’ … em sua 3ª fase – coletando dados idênticos ao…’WMAP‘, mas em espectro de frequência mais alto, com mais informações da radiação de fundo. — A nível observacional, já limpos da poluição nas informações do campo magnético galático, os gráficos de energia obtida do universo serão avaliados pela técnica derotação de Faraday“, método por onde se pode medir — de forma indireta, os “campos magnéticos externos“… O que não é uma tarefa muito simples — pois além de identificar a radiação relacionada ao “campo magnético”, é necessário um abrangente estudo para limpar… – ao máximo…aquela energia pertencente aos ‘campos magnéticos’ de outras galáxias – ou aglomerados delas – que possam interferir na recepção de dados.

Desse modo, ficará definitivamente assegurado que a radiação remanescente                      recebida corresponda de fato à do ‘campo magnético primordial’. (texto base) ************************************************************************

Espelho magnético vai detectar “ondas gravitacionais” no espaço

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Protótipo do espelho magnético, já montado em uma base giratória. [Imagem: G. Pisano et al.]

A deteção das ondas gravitacionais vai  ficar ainda melhor e mais precisa, com      um novo dispositivo magnético … com base em espelhos…O desenvolvimento    do projeto é parte de uma colaboração multilateral a ser financiada pela ‘ESA’ (Agência Espacial Europeia)…visando desenvolver novas tecnologias — para missões como a sonda espacial “COE“.

Tal missão terá por objetivo mapear o céu inteiro, em alta resolução, pela “RCFM”… “radiação cósmica de fundo microondas”, que acredita-se ser…ecos doBig Bang‘.

“Polarização de modo B”

A radiação cósmica de fundo tem sido objeto de intensa investigação desde a sua descoberta Mais recentemente, começou-se a prestar mais atenção nos componentes polarizados desse…’fundo de micro-ondas‘ – em particular, no chamado ‘modo B‘, que talvez pudesse conter a ‘chave‘ para informações sobre as assim chamadas ondas gravitacionais primordiais, e os processos ocorridos no início da ‘história cósmica’.

Essa polarização ‘modo B‘ chegou a fundamentar uma ‘falsa alegação’ de deteção das ondas gravitacionais em 2014 – que foi prontamente desfeita quando se chegou à conclusão… que os equipamentos doBICEP 2‘… não eram precisos para ver “influências”    da nossa própria galáxia. — Até que, em 2016 – as “ondas gravitacionais” foram achadas no mecanismo LIGO.

Agora, foi construído um novo tipo de ‘modulador de polarização’, baseado em um espelho magnético – que promete superar o grande desafio para detetarde fato, a polarização em ‘modo B’ – a capacidade de modular a polarização de micro-ondas, em uma ampla faixa de frequência…A operação de banda larga é necessária para separar o espectro da polarização modo B (fraquíssima)da radiação de primeiro plano vinda de outras ‘fontes astrofísicas’.  Giampaolo Pisano da Universidade de Cardiff (País de Gales), idealizador do instrumento, assim explicou o desafio…“Como outras equipes – temos trabalhado há mais de 2 décadas no desenvolvimento de tecnologias que permitam detetar a polarização em modo B que provou ser enorme desafio, pois apenas reduzida parte do sinal total exibe tal polarização.”

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O detetor é um metaespelho, feito de metamateriais. [Imagem: G. Pisano et al.]

Um componente “chave“… para a deteção da radiação em modo B é conhecido como placa meia-onda… dispositivo usado para modular a “polarização” da radiação eletromagnética.

Girar a “placa de meia-onda” … faz com que a polarização da radiação também gire, criando um padrão oscilante que pode ser distinguido do ‘sinal constante’… — de uma radiação não-polarizada. Implementações anteriores dessa placa de meia-onda…resultaram dispositivos de banda estreita… A equipe de Pisano então, resolveu o problema usando metamateriais“.

Os metamateriais aqui empregados são artifícios utilizados para criar um                            espelho magnético… que foi combinado com uma grade polarizante.

“Com essa nova abordagem foi possível superar os limites de faixa de frequência,              que outros pesquisadores enfrentaram. E agora, com o conceito demonstrado…é            preciso testar sua robustez para lançamentos por satélites – além de implantá-lo                  em instrumentos de detecção de‘modo B’baseados em terra, para provar sua              real utilidade no espaço”…concluiu então o pesquisador. (texto base) (dez/2016)  ***************************(texto complementar)***************************

Ondas gravitacionais dirão o que aconteceu frações de segundo pós ‘Big Bang’

LIGO

O LIGO (Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro de Laser) consiste de 2 idênticas instalações – uma em Washington e outra na Louisiana (EUA) – separadas por mais de 3 mil kms de distância.

Em 1994, Barry Barish…então professor de física na Caltech – conseguiu o trabalho da sua vida – diretor do observatório de ‘Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser’ (LIGO), um experimento no limite da tecnologia existente. — Em 14 de setembro de 2015… às 5h51 pela hora local, o detector LIGO em Livingston, Louisiana, captou um sinal tão fraco… que produziu um movimento nos feixes de luz laser — inferior a um bilionésimo de centímetro. Sete milésimos de segundo depois, o detector do LIGO em Hanford (Washington)…a mais de 3.000 quilômetros de distânciadetetou um sinal idêntico. Era a 1ª onda gravitacional da história … produzida então há 1,3 bilhão de anos por 2 buracos negros que se fundiram, liberando uma energia equivalente a 3 estrelas similares ao Sol…Em 3 de outubro de 2017, Barish recebeu – junto com Rainer Weiss e Kip Thorne – o Prêmio Nobel de Física pelo descobrimento das ondas gravitacionais. – De passagem por Madrio físico explica nesta entrevista, a importância dessa descoberta por todos os sentidos realmente histórica.

As ondas gravitacionais “abrem portas a novos mundos jamais observados”?

Barish. Tudo o que sabíamos de astronomia antes de 1608 era através da observação do céu a olho nu. Naquela data se inventou o primeiro telescópio… Galileu o empregou para observar Júpiter e viu que tinha quatro luashá mais, mas ele viu quatro. Foi o início da astronomia. Desde então aprendemos muitíssimo sobre o universo usando telescópios cada vez maiores, capazes de enxergar em vários espectros. Mas, até agora, tudo o que sabíamos vinha das… interações eletromagnéticas. – A grande vantagem é que “ondas gravitacionais”… – não têm nada a ver com essas interações… – a não ser pelos “efeitos gravitacionais“. Pela primeira vez, olhamos o universo de uma forma totalmente nova.

Como vai evoluir este novo campo?

Barish. A primeira coisa que observamos foram ‘fusões’ de buracos negros e estrelas de neutrons. Mas há muitos outros fenômenos que as ondas gravitacionais devem produzir, como por exemplo uma “supernova”…o colapso de uma estrela. Outro é um pulsar, uma estrela de neutrons em rotação. O mais interessante de todos são os sinais da origem do Universo. Todos queremos saber o que aconteceu nos primeiros instantes depois do Big Bang (há 13,7 bilhões de anos). O problema nesse caso é que a radiação eletromagnética      só permite observar até 400 mil anos após o“Big Bang”; antes desse período os fótons são absorvidos Então, como as “ondas gravitacionais” não são absorvidas, podemos utilizá-las para entender o que realmente aconteceu… — Como as “primeiras partículas”      se formaram?…como aconteceu a inflação do universo?… — Por enquanto… só temos conjeturas… Se pudermos voltar no tempo à primeira fração de segundo…saberemos como tudo começou. Mas para isto necessitamos de experimentos diferentes dos atuais. Creio que levaremos 50…ou talvez 100 anos para consegui-lo – mas é um objetivo claro.

Que outras perguntas poderemos responder estudando ondas gravitacionais?

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Concepção artística de uma possível fusão de 2 BNs.

Barish. Em Física estamos numa situação bem embaraçosa…pois temos 2 fantásticas teorias, uma delas…explicando fenômenos a grandes distâncias (‘Relatividade’) – que até o momento…funciona à perfeição. Mas também há uma 2ª teoria (‘teoria quântica de campos’)…que também descreve com máximo rigor o que acontece, quando partículas elementares se chocam entre si.

O problema é que, há décadas…os cientistas tentam unificá-las — sem qualquer sucesso. Necessitamos de pistas experimentais sobre onde possa estar a intercessão entre ambas.    Para tal, a possibilidade mais interessante são os buracos negros. E agora, que podemos estudar melhor estes corpos graças às ‘ondas gravitacionais’, é preciso estarmos atentos para o que acontece tanto no quântico, como na relatividade. Minha esperança é que as pistas que precisamos venham das ondas gravitacionais, emitidas pelos buracos negros.

As ondas poderão dizer o que são a matéria escura e a energia escura?

Barish. Sabemos tão pouco sobre ‘energia escura’, que não sabemos o que fazer com ela. Sobre a ‘matéria escura’…sim – há muitos experimentos que tentam mostrar o que é…Se olharmos os progressos realizados na Física da última década — os mais interessantes se referem aos ‘neutrinos‘…ao ‘bóson de Higgs‘…e as ‘ondas gravitacionais‘… Todos exigem grandes instalações de alta tecnologia. — Talvez isto continue assim no futuro. O problema é como fazer experimentos em larga escala, capazes de gerar descobrimentos inovadores, dentro de um sistema científico tão complicado de se obter financiamento e que tende ao conservadorismo com aversão ao risco. Não fazemos muitos experimentos que fracassam… — Deveríamos fazer muitos mais… Isso nos faria progredir mais rápido.

Quais conselhos daria a um Governo para priorizar a                                                  ciência…como um pilar do ‘crescimento econômico’?

Barish Fazemos ciênciapor um valor fundamental – a curiosidade humana. Além disso, há impactos técnicos da ciência sobre a sociedade… Todo país moderno deve participar tecnologicamente. Não pode depender de outros para obter tecnologia… – dos componentes de um…”telefone celular” – aos softwares bancários, financeiros e de segurança. – Odeio quando os jornalistas me perguntam…“para que servem as ondas gravitacionais?”…mas entendo o sentido da pergunta…Se olharmos        de forma geral é fácil entender Quando estava em Berkeley, nos anos 70, havia um experimento que demonstrou a… “emissão estimulada” – outra previsão de Einstein. Ninguém percebeu que teria um grande impacto em nossas vidas. – Dez anos depois, viram que servia para fazer feixes de luz. Hoje é base dos lasers, uma indústria de 20 bilhões de dólares. E é só um exemplo. Vemos assim que a pergunta a ser feita é para      que nos serve a pesquisa básica?…E então, é fácil de ver. (El País – Ciência) jul/2018  *******************************************************************************

Será que a fusão de buracos negros gera emissão de radiação? (jul/2020)              “O que mais me anima é uma previsão concreta. – Estou esperando acontecerem os      fatos. – Se o segundo feixe ocorrer como o previsto … dará início a uma nova era no      estudo de galáxias com núcleos ativos“. (Katerina Chatziioannou, da equipe ‘LIGO’)

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Ilustração representando dois pequenos buracos negros coalescendo no interior de um disco de gás e poeira, situado ao redor de um buraco negro supermassivo. Crédito: Caltech e R. Hurt (IPAC)

Mais de 4 bilhões de anos atrás, um par de buracos negros se engajou numa dança dramática. Enquanto gás e poeira circulavam ao seu redoros 2 giravam cada vez        mais próximos enquanto  orbitavam perto de um buraco negro supermassivo.      Então, os dois buracos negros se fundiram, gerando uma colisão tão poderosa que        afetou o próprio espaço. Como resultado das “ondas gravitacionais” geradas nesse processo (que mais tarde chegaram à Terra)…a redução do BN originário da fusão          aqueceu o seu gás ao redor…gerando um feixe forte de luz que durou por semanas.            Tal é o cenário proposto por uma pesquisa publicada em 25 de junho na “Physical        Review Letters, quanto à detecção de ondas gravitacionais vindas de uma colisão              de 2 buracos negros em 21 de maio de 2019. O detalhe é que, durante as semanas seguintes, um estranho feixe de luz surgiu na mesma região do céu. Se ele veio de            fato dos BNs, marca a 1ª observação luminosa da fusão de buracos negros. Jillian Bellovary, pesquisadora da Universidade de Nova York, Queensborough, que não          fazia parte do grupo original de pesquisa — sobre o assunto — assim comentou:

“A ideia é espetacular. Se confirmada, dá uma nova direção ao recente campo da astronomia multimídia. – Ao estudar buracos negros e seus arredores usando ondas gravitacionais e radiação eletromagnética, é muito grande a possibilidade de novas e surpreendentes descobertas”. 

Há muito os cientistas debatem se uma fusão binária de buracos negros poderia gerar algum feixe de radiação…além das ondas gravitacionais. A maioria dos pesquisadores concorda que uma colisão dessas, no vácuo, não pode produzir luzMas num ‘núcleo galático ativo’, a gravidade dos BN supermassivos atrai o gás e poeira, para formarem      um imenso disco de acreção, que forneceria as condições perfeitas para a geração de radiação numa maneira completamente nova de fundir buracos negros. Com tal possibilidade em mente, os pesquisadores recorreram ao “Zwicky Transiente Facility(ZTF). Localizado no Observatório Palomar na Califórnia, esse projeto fotografa todo      céu do hemisfério Norte, a cada 3 noites, podendo assim localizar qualquer mudança abrupta na luminosidade. A equipe então vasculhou os dados do ‘ZTF’… a procura de feixes de luz emanados de ‘núcleos ativos de galáxias’, próximos a buracos negros em  fusão – já detectados pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria    Laser (LIGO). Na maioria dos casos, não acharam nada… Mas, logo após o evento de maio/2019, um núcleo ativo galático – na mesma região – dobrou sua luminosidade.

Os pesquisadores avaliaram todas as fontes possíveis do feixe – que poderiam                  elencar, e concluíram que a fonte mais provável era a fusão de buracos negros.              Ainda assimeles ressaltam não ter total certeza se sua explicação é a correta. 

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O LIGO detetou ondas gravitacionais da fusão de dois buracos negros, vistos aqui nesta impressão de artista. O Telescópio Espacial Fermi detetou uma explosão de raios-gama 0,4 segundos mais tarde. Uma nova investigação sugere que a explosão ocorreu porque os dois buracos negros foram o resultado de uma única estrela massiva. [Swinburne Astronomy Productions]

Um mistério na fusão

Mas o anúncio feito em fins de junho, não representou a…1ª oportunidade na qual astrônomos teriam detetado – luz emitida por buracos negros em fusão…Em 2015, o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi avistou um…ligeiro pulso de raios gama“, oriundo da mesma região do espaço onde ocorreu a 1ª fusão de BNs registrada pelo LIGO. O sinal gerou muitas especulações,  e explicações… — Logo após, foi proposto que a fusão ocorrerano interior de uma estrela – que forneceria o “gás luminoso”.

A comunidade acadêmica permaneceu incrédula. Muitos cientistas por fim constataram que a explosão de raios gama era provavelmente algo do acaso uma emissão de algum outro objeto distinto; que havia sido erroneamente relacionado à fusão do buraco negro. 

Avi Loeb, físico teórico da Universidade de Harvard ainda acredita que – sob certas condições, a fusão de buracos negros poderiam disparar um feixe de luz. Ele porém,          tem dificuldade em aceitar a ideia de que o feixe seja resultado de um…’processo de acreção’ no buraco negro [que se fundiu]…A luminosidade de objetos astronômicos geralmente possui um limite máximo…conhecido como “Limite de Eddington”. Em algumas circunstâncias, esse limite pode ser excedido por um fator de milhares. No cenário proposto, entretanto, o buraco negro resultante possuía uma luminosidade,          100 mil vezes maior que esse limite. “Nunca se ouviu falar de algo assim”, disse ele.

Matthew Graham, principal autor da pesquisa, reconhece que uma luminosidade tão grande seria sem precedentes. Mas, baseado no conhecimento atual… “não é surreal.      Não está além dos limites do possível”disse ele. — Mesmo não sendo ainda factível  rodar em computador simulações confiáveis das complexas interações entre buracos negros binários em um núcleo ativo galático, extrapolações de simulações anteriores convenceram a sua equipe — de que essa interpretação…deveria ser a mais plausível.        “Se o feixe de luz não se originou da fusão de buracos negros, poderia ter surgido de      uma supernova muito esquisita”, disse o coautor do estudo Saavik Ford, da Borough          of Manhattan Community College. Uma outra possibilidade é a variação natural do núcleo galático ativo, quecomo é sabido – muda sua luminosidade com o tempo.  Segundo Barry McKernan, também coautor da pesquisa, e astrofísico da Borough of Manhattan Community College “Ao contrário da explosão de raios gama em 2015,            a nova emissão de radiação permitiu criar previsões – que em breve serão testadas”. Conforme o novo modelo, pelo menos um dos buracos negros que existiam antes da    fusão estava girando rapidamente. – “Isso é algo que nós temos que ter certeza para        que nosso cenário faça sentido”, diz eleAlém disso, a equipe também estima que a      massa do buraco negro…formado pela fusão, seja cerca de 100 vezes a massa do Sol.

A análise completa do LIGO sobre os dados de ondas gravitacionais, que poderá ser publicada ainda nos próximos meses – irá apoiar … ou refutar ambas as afirmações.          À medida que o buraco negro resultante da fusão continue a orbitar o supermassivo,    eventualmente ele irá re-entrar no disco de acreção, gerando outro feixe de luz, que      seria visível da Terra. A equipe estima que isso irá acontecer em cerca de um ano.

Atualizações em ultravioleta                                                                                              “Futuros feixes poderão oferecer outras pistas … sobre a composição                                      de… “núcleos ativos de galáxias”… — que são peças cruciais de nosso                            entendimento sobre como galáxias se constroem em nosso universo”.

Para além das propriedades dos buracos negros em si – os ‘feixes de luz’ emitidos por BNs resultantes de fusões poderiam revelar atributos dos “discos de acreção” em núcleos ativos galáticos. A partir daí se fez uma estimativada densidade do gás eda espessura do disco — cálculos impossíveis de se fazer… apenas com os dados das … “ondas gravitacionais”. No entanto, para que uma astronomia multimídia…floresça – os astrônomos precisam atualizar suas ferramentas.

Mesmo que o estudo tenha detetado um feixe no espectro visível…será mais fácil localizar os feixes de outros buracos negros no comprimento de onda ultravioleta. Todavia, como a atmosfera da Terra absorve a maior parte da luz ultravioleta muito antes de alcançar os observatórios terrestres, serão necessários ‘telescópios espaciais’. Para Graham, o melhor candidato é o Observatório Swift (NASA), mas é imperfeito…isso porque ele foi projetado originalmente para estudar explosões de raios gama sendo assim, possui um campo de visão muito menor que o ZTF…Há outros telescópios espaciais sensíveis à luz ultravioleta observando o céu atualmente. Nenhum delesporém, é ideal para procurar por feixes de luz no processo gerador de ondas gravitacionais. Segundo Bellovary: “O ultravioleta foi de certa forma negligenciado pela comunidade [astronômica] por um tempo Esse é um problema”... Ela…e seus colegas, esperam que o novo estudo estimule o desenvolvimento de um telescópio ultravioleta com um amplo campo de visão. Enquanto isso, esperam-se os resultados completos do ‘LIGO’, bem como os das previsões sobre o 2º feixe luminoso.

Como disse Erin Kara, astrofísica no Instituto de Tecnologia de Massachusetts:                  “A teoria da fusão de buracos negros é tentadora. Mesmo assim, ainda não está            pronta para ser aceita – sem novas evidências”. Scott Hershberger (texto base)

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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4 respostas para Sob um “Fundo Cósmico 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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