Crédito da imagem de capa: NASA

Da teoria da relatividade sabe-se que massa/energia deformam o espaço-tempo – ok, é um pouco mais sutil que isso, deixo essa informação para outro texto. Deforma de tal forma que alguma coisa – matéria ou radiação, que passe por essa deformação, pode ter sua trajetória alterada ou até mesmo ficar ‘aprisionada’ no que chamamos de órbita, em torno do agente causador da deformação – um planeta, uma estrela, um buraco negro, etc.

Bom, como previsto pela teoria, a movimentação de corpos pode gerar um fenômeno conhecido como ondas gravitacionais, que foram detectadas experimentalmente pela primeira vez em 2015, sendo somente anunciadas em 2017 após os pesquisadores envolvidos descartarem um monte de outros fatores que pudessem ter interferido na medida.

Por que radiação?

Para entender isso primeiro o(a) leitor(a) precisa entender o conceito de radiação. Radiação é a emissão ou a transmissão de energia por partículas ou ondas através de algum meio material ou também pelo vácuo. Como exemplo temos o som, as ondas no mar, a luz, ondas em uma corda ou em uma mola, etc.

Tudo bem, mas que energia é essa? Energia é, digamos assim, o conceito mais mal entendido pelas pessoas – você ouve gente por ai falando de energia até com conceitos místicos, mas essas pessoas ou não sabem o conceito de energia ou simplesmente estão falando de outra coisa que não tem muito a ver com isso. Enfim, energia pode ser entendida como uma unidade que se conserva ou que deveria ser conservada na ausência de fatores externos – lembre-se que a energia nunca é ‘perdida’, ela somente se transforma.

Imagine duas bolinhas de gude, uma parada e outra se movimentando na direção dessa primeira com uma certa velocidade, quando as duas colidirem três coisas podem acontecer: a que estava em movimento pode ‘carregar’ a outra na mesma direção com uma velocidade reduzida, ou a que estava se movimentando para e a parada começa a se mover na mesma velocidade que esta, ou ainda a que estava se movimentando colide voltando na direção contrária com uma velocidade reduzida e fazendo com que a parada se movimente com uma velocidade inferior a sua anterior e na mesma direção da colisão.

Isso acontece pois a energia está sendo conservada! Nesse caso mais especificamente o que se conserva é o momento do sistema das duas bolinhas – que é o produto massa-velocidade. Ou seja, no primeiro caso descrito a bolinha parada tem massa inferior a bolinha em movimento, no segundo caso as duas têm a mesma massa e no terceiro caso a que se movimenta tem massa inferior à parada.

Isso nos diz que energia é uma ‘coisa’ mais matemática do que física, é alguma quantidade em algum fenômeno ou sistema que nós sabemos que tem que se conservar na ausência de fatores externos – no caso do exemplo das bolinhas esse fator externo poderia ser o atrito das bolinhas com o chão, ou o próprio choque das duas bolinhas (já não considerando uma situação ideal), que faria com que as mesmas ‘perdessem’ energia, ou de uma forma um pouco mais científica, dissipassem energia.

Agora que energia parece uma coisa menos mística fica mais fácil de entender o que é a radiação que descrevi anteriormente. No caso da radiação gravitacional essa energia é carregada na forma de ondas pelo próprio espaço-tempo, por isso o nome Ondas Gravitacionais.

A Radiação Gravitacional

Começando do começo, ondas gravitacionais são ondulações no próprio ‘tecido’ do espaço-tempo causadas por processos astrofísicos, assim como estrelas de nêutrons e buracos negros se orbitando como binárias.

Representação artística de ondas gravitacionais sendo formadas de forma espiral por um par de objetos astrofísicos que se orbitam. Crédito: NASA

Se você ainda não entende muito sobre o espaço-tempo, estrelas de nêutrons e buracos negros, você pode aprender mais nesses meus outros dois textos:

http://www.cafeeciencia.com.br/categorias/astronomia-e-afins/a-relatividade-de-einstein-e-a-estrutura-do-espaco-tempo.html e http://www.cafeeciencia.com.br/categorias/astronomia-e-afins/a-astrofisica-extrema-dos-objetos-compactos.html

Essas ondas gravitacionais foram previstas por Einstein na sua teoria da relatividade geral em 1916. Ele mostrou matematicamente que objetos em aceleração perturbariam o tecido do espaço-tempo de forma que ondas de espaço-tempo ‘retorcido’ irradiariam da fonte – como analogia, pedras caindo em um lago produzem ondas, uma perturbação na superfície da água.

A diferença dessas ondas é que como são distorções no espaço-tempo, e tais distorções podem ser entendidas como força gravitacional, logo estas ondas se manifestam com um caráter gravitacional, distorcendo tudo por onde passam. Elas viajam pelo espaço-tempo na velocidade da luz e carregam informações sobre o evento em que foram originadas e sobre a própria natureza da gravidade.

Um exemplo de como essas ondas se originam: imagine um sistema binário de estrelas de nêutrons, as duas orbitam uma a outra. Uma coisa estranha acontece, elas vão cada vez mais chegando perto uma da outra. Mas por quê? Bom isso só poderia acontecer caso elas estivessem dissipando energia de alguma forma, caso contrário continuariam uma a orbitar a outra sempre à mesma distância – conservação de energia!

E essa dissipação de energia vem justamente da radiação gravitacional. Enquanto essas estrelas se orbitam elas vão lentamente irradiando ondas de gravidade através do espaço-tempo e perdendo órbita – isto é, vão chegando mais perto uma da outra. Quanto mais perto elas chegam uma da outra mais energia na forma de ondas gravitacionais perdem e mais rápido vão perdendo órbita.

Isso causa um efeito avalanche, e cedo ou tarde elas acabam por colidir, liberando uma quantidade colossal de radiação gravitacional. O link abaixo possui uma simulação que mostra como esse processo ocorre:

https://svs.gsfc.nasa.gov//vis/a010000/a010500/a010543/WhtDwrfCollid_ProRes_720x486_59.94fps.webmhd.webm

Tipos de Ondas Gravitacionais

De acordo com os pesquisadores da área existem basicamente 4 tipos de ondas gravitacionais, são eles: contínuas, binárias espirais compactas, estocásticas e os surtos.

As ondas gravitacionais contínuas são produzidas por um único objeto massivo em rotação – um objeto compacto por exemplo (uma anã branca, uma estrela de nêutrons ou um buraco negro). Como esses objetos não são esferas perfeitas – esferas perfeitas só existem no mundo matemático, na natureza nada tem uma forma perfeitamente esférica – então ao rotacionar este objeto cria ondas gravitacionais devido as suas imperfeições físicas. Se essa rotação é contínua, isto é, sempre a mesma velocidade de rotação, então o objeto irradia ondas gravitacionais sempre com a mesma amplitude e mesma frequência – dai o nome contínuas.

Ondas gravitacionais binárias espirais compactas foi o exemplo que dei anteriormente, onde dois objetos massivos se orbitam. Existem três arranjos diferentes de fontes desse tipo, são elas: Estrelas de nêutrons binárias (BNS), buracos negros binários (BBH) ou um sistema estrela de nêutrons-buraco negro (NSBH). Cada um desses arranjos emite um conjunto espiral de ondas gravitacionais característico – frequência e energia associadas.

Já as estocásticas não são necessariamente um tipo, são ondas gravitacionais contínuas ou até binárias espirais compactas, mas que são muito ‘fracas’ e emanam de tantas direções que pareceriam um sinal quase que aleatório se detectado por nós. É até possível que parte dessas ondas sejam originárias do Big Bang e poderiam nos fazer enxergar mais distante, mais no passado, na história do nosso universo, e talvez possam nos ensinar sobre seus primórdios, a época em que nosso universo era apenas um ‘bebê’.

Imagem de espaço profundo feita pelo Hubble mostrando centenas de galáxias. O estudo dessas ondas gravitacionais estocásticas pode revelar alguns dos mistérios sobre essa estrutura em larga escala do universo. Crédito: NASA, Hubble

Por último mas não menos importante os surtos de ondas gravitacionais (bursts). Esses são realmente um problema, como o próprio nome diz é um surto, uma coisa curta e rápida, não sabemos o quê esperar de um sinal desse tipo pois nunca antes foi detectado. Não podemos assumir que possuirá características dos outros tipos nem que não possuirá, portanto a busca por esses ‘bursts’ é literalmente um exercício de manter a mente aberta para os pesquisadores.

Para encerrar queria deixar uma reflexão de como a descoberta dessas ondas é muito importante para a ciência e para entendermos mais sobre como a natureza que nos cerca funciona. A descoberta que a luz era uma onda eletromagnética e depois a de que existia todo um espectro de frequências que nós não conseguíamos enxergar, possibilitou uma revolução científica enorme, novas tecnologias só surgiram por esse motivo, assim como a comunicação a longas distâncias, a televisão, a internet e até o estudo de fenômenos astronômicos que até então eram ocultos para nós. Agora com o estudo dessas ondas de gravidade, o que isso pode nos proporcionar ainda é inimaginável, todo um outro espectro de possibilidades foi aberto, cabe agora só a nós aprender a lidar com ele.

Fontes:

https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources?highlight=gravitational%20waves

https://www.ligo.caltech.edu/page/what-are-gw?highlight=gravitational%20waves

https://www.black-holes.org/the-science-gravitational-waves/gravitational-wave-astronomy/gravitational-waves

Marco Laversveiler

Graduando de Astronomia pelo Observatório do Valongo da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), interessado principalmente nas áreas de Astrofísica Relativística, Estelar e de Altas Energias.

Ver Todos os Artigos

Adicionar Comentário

O seu endereço de email não será publicado. Campos obrigatórios marcados com *