As dúvidas mais interessantes sobre ondas gravitacionais, respondidas

A cientista Amber Stuver é Ph.D. em física e trabalha no LIGO Livingston Observatory (EUA). Ela é uma dos muitos físicos envolvidos na meticulosa análise de dados que culminouna descoberta de ondas gravitacionais.

>>> Por que os cientistas estavam tão ansiosos para encontrar ondas gravitacionais
>>> Nós encontramos ondas gravitacionais. E agora?

Stuver recebeu diversas perguntas sobre ondas gravitacionais levantadas por leitores do Gizmodo, e aqui estão as respostas.

Para recapitular: ondas gravitacionais são ondulações no tecido do espaço-tempo previstas por Albert Einstein há um século. Elas foram detectadas pelo LIGO (Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser), que consiste em dois espelhos pendurados em duas cidades a 3.000 km de distância nos EUA.

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Houve uma enorme quantidade de trabalho para detectar uma única onda gravitacional, e este é um enorme avanço. Com certeza isto poderia abrir uma série de novas possibilidades emocionantes na astronomia.

Mas esta primeira detecção é “meramente” uma prova de que a detecção em si é possível, ou teremos mais avanços científicos com ela? O que você espera fazer com isso no futuro? Haverá métodos mais fáceis de detectar essas ondas no futuro?

Stuver: Esta é de fato a primeira detecção, que é um avanço, mas o objetivo sempre foi usar ondas gravitacionais para praticar astronomia de uma forma nova.

Em vez de olhar para o universo analisando a luz, agora somos capazes de sentir as mudanças muito pequenas na gravidade causadas por algumas das coisas mais violentas, maiores e (na minha opinião) mais interessantes – incluindo o universo sobre o qual a luz nunca será capaz de nos trazer informações.

Nós já conseguimos praticar este novo tipo de astronomia usando as ondas da primeira detecção. Usando o que sabemos sobre a relatividade geral, podemos prever como são as ondas gravitacionais de objetos tais como buracos negros ou estrelas de nêutrons. O sinal que encontramos coincide com o que está previsto para um par de buracos negros, um de 36 vezes a massa do nosso Sol, e outro de 29 vezes, que orbitam cada vez mais rápido à medida que ficam próximos um do outro. Finalmente, eles se fundem em um só buraco negro.

Assim, não só esta foi a primeira detecção de ondas gravitacionais, como também foi a primeira observação direta de buracos negros, já que a luz não pode ser usada para observá-los (só para ver como a matéria ao seu redor se move).

Como você pode ter certeza de que efeitos externos (tais como vibração) não estão impactando os resultados?

Stuver: No LIGO, gravamos muito mais dados relacionados ao nosso ambiente e ao equipamento do que dados que possam conter um sinal de onda gravitacional.

Queremos ter a maior certeza possível de que os efeitos externos não nos enganem, fazendo-nos pensar que descobrimos uma onda gravitacional. Se o solo estava se movendo numa quantidade anormal no momento que pensamos ver um sinal de onda gravitacional, nós provavelmente iríamos rejeitá-lo como um candidato de detecção.

Outra medida que tomamos para não ver algo acidentalmente é que ambos os detectores do LIGO devem ver o mesmo sinal dentro da quantidade de tempo que uma onda gravitacional levaria para viajar entre as duas instalações. A quantidade máxima de tempo para esta viagem é de cerca de 10 milissegundos.

Para ser considerada uma detecção em potencial, temos de ver um sinal com a mesma forma e quase ao mesmo tempo nas duas instalações do LIGO, e os dados extras que recolhemos do ambiente devem estar limpos de anormalidades.

Há também muitos outros testes de detecção pelos quais um candidato deve passar antes de nós considerarmos ser uma detecção válida, mas estes são os principais.

Como, exatamente, os cientistas sabem que as ondas medidas vieram devido a dois buracos negros supermassivos? Como eles podem saber exatamente o que causou as ondas que eles mediram?

Stuver: Ondas gravitacionais têm diferentes origens: fusão de buracos negros (como nesta descoberta), uma estrela orbitando outra, estrelas moribundas em explosões, ou buracos negros se formando. Dependendo da origem, a onda terá um formato específico. Quando detectamos uma onda gravitacional, usamos os formatos previstos pela relatividade geral para determinar o que a causou.

Para analisar as observações, usamos um catálogo de sinais previstos de ondas gravitacionais para comparar com nossos dados. Se existir uma forte correlação com uma dessas previsões (ou modelos), então sabemos que este é um candidato de ondas gravitacionais, e também sabemos qual sistema o criou – pois é o sistema usado para criar o modelo.

Como sabemos que essas ondas se originaram da colisão de dois buracos negros, e não algum outro evento? É possível ter alguma ideia de onde/quando o evento aconteceu com qualquer grau de precisão?

Stuver: Quando sabemos qual sistema formou as ondas gravitacionais, podemos prever sua força onde ela foi produzida. Medindo a força uma vez que ela chega à Terra, e comparando a nossa medição com a força prevista na fonte, podemos calcular a distância da fonte. Como as ondas gravitacionais viajam à velocidade da luz, também podemos calcular quanto tempo elas viajaram até a Terra.

Para o sistema de buraco negro que descobrimos, medimos uma variação máxima no comprimento dos braços do LIGO de 1/1.000 do diâmetro de um próton. Isso implica que o sistema está a uma distância de aproximadamente 1,3 bilhão de anos-luz. Assim, a onda gravitacional descoberta em setembro e anunciada na semana passada estava vindo até nós nos últimos 1,3 bilhão de anos. Isso foi antes da vida animal se formar na Terra, mas depois de surgir a vida multicelular.

Existe alguma maneira prática de gerar ondas gravitacionais que possam ser detectadas por um dispositivo como este, para que pudéssemos construir um rádio ou laser de gravidade?

Stuver: O que você sugere é exatamente o que Heinrich Hertz fez no final dos anos 1880 para detectar ondas eletromagnéticas na forma de ondas de rádio. No entanto, a gravidade é a mais fraca das forças fundamentais que unem o universo.

Por causa disso, mover massas num laboratório ou em outra instalação irá criar ondas gravitacionais, mas elas serão muito fracas, mesmo para detectores sensíveis como o LIGO. Para que as ondas fossem fortes o suficiente, seria preciso girar um haltere em velocidades tão altas que o processo iria destruir qualquer material conhecido pela humanidade.

O próximo lugar para procurar grandes quantidades de massa em movimento extremamente rápido é o universo, por isso construímos detectores que têm como alvo essas fontes distantes.

A qual distância é preciso estar de uma fusão entre buracos negros para sobreviver e medir ondas gravitacionais?

Stuver: A distância não precisa ser enorme em termos astronômicos. Suponhamos que você tenha 2 m de altura e esteja orbitando ao redor de buracos negros numa distância igual à distância entre a Terra e o Sol. Estimo que o buraco negro iria esmagar e esticar você em cerca de 0,000165 mm.

Sua altura muda mais que isso no decorrer do dia, devido à compressão das suas vértebras enquanto você está na posição vertical. Ou seja, daria para sobreviver tranquilamente a isso.

No caso do buraco negro binário que detectamos usando ondas gravitacionais, eles produziram uma variação máxima de 1×10^-18 metros (isto é um milésimo do diâmetro de um próton). Também estimamos que esses buracos negros estavam a uma distância de 1,3 bilhão de anos-luz.

A distância entre o Sol e a Terra – que usamos no exercício teórico acima – é de 0,0000158 ano-luz. Mesmo estando bem próximo, um buraco negro pode causar menos estragos do que você imagina.

É válida a analogia de “onda como na água”? Nós podemos “surfar” nessas ondas? Há “picos” e “vales” de gravidade?

Stuver: As ondas gravitacionais viajam através da matéria sem passarem por alterações, portanto não há uma maneira de navegá-las ou usá-las para propulsão. Portanto, não veremos surfistas de ondas gravitacionais.

Quanto a “picos” e “vales”, este é um ponto excelente. A gravidade é sempre atrativa porque não há massa negativa. Não sabemos o porquê, mas isso nunca foi observado em um laboratório, nem qualquer evidência foi encontrada em outras partes do universo.

Então, a gravidade é geralmente representada nos gráficos de espaço-tempo como tendo uma curvatura para baixo – ou seja, um “vale”. Uma massa viajando pelo “vale” tenderá a se curvar para dentro dele; isto é a atração gravitacional.

Se você tivesse massa negativa, você teria repulsão, que seria representada por um “pico”. A massa se movendo por um “pico” tenderia a se afastar dele. Portanto, há “vales”, mas não “picos”.

A analogia da água é muito boa para discutir como a força da onda diminui à medida que ela viaja para longe de sua fonte. Uma onda de água fica menor assim como uma onda gravitacional fica mais fraca.

Usando este novo sentido para ouvir o cosmos, quais são algumas das grandes áreas em que os cientistas estão se concentrando para saber mais sobre o universo?

Stuver: O potencial é realmente desconhecido, ou seja, haverá muito mais áreas do que já imaginamos até agora. Quanto mais aprendemos sobre o universo, melhores serão as perguntas que poderemos responder com ondas gravitacionais. Entre elas:

– Qual é a causa das explosões de raios gama?

– Como a matéria se comporta no ambiente extremo de uma estrela em colapso?

– Como foram os primeiros instantes após o Big Bang?

– Como se comporta a matéria em estrelas de nêutrons?

Mas eu estou realmente interessada é em descobrir ondas gravitacionais que não antecipávamos. A cada vez que os seres humanos observam o universo de uma maneira nova, nós sempre descobrimos algo inesperado que revoluciona a nossa compreensão. Quero encontrar essas ondas gravitacionais e descobrir algo que não poderia ser imaginado antes.

Agora que estamos ouvindo as ondas gravitacionais, qual seria a coisa mais chocante para um cientista ouvir? (1) Padrões/estruturas não naturais? (2) Uma fonte de ondas gravitacionais de uma região que certamente estava vazia? (3)Rick Astley – Never gonna give you up?

Stuver: Assim que eu li sua pergunta, eu imediatamente pensei na cena do filme Contatoquando o telescópio de rádio detecta padrões de números primos. Isso não é nada que possa ocorrer naturalmente (pelo menos ninguém pensou nisso ainda). Assim, o padrão/estrutura antinatural que você sugere é algo que, para mim, seria mais provável.

Acho que nunca temos a certeza de que uma determinada parte do espaço está vazia. Afinal de contas, o sistema de buraco negro que encontramos estava isolado, e nenhuma luz jamais veio dessa região, mas encontramos ondas gravitacionais lá mesmo assim.

Agora, quanto a música… Eu me especializei em separar sinais de ondas gravitacionais do ruído que medimos, vindos constantemente de influências ambientais. Se eu encontrar música na forma de onda gravitacional, especialmente uma música que eu ouvi antes, eu saberia que é brincadeira. Mas uma música que nunca foi ouvida antes na Terra… isso seria como a cena de Contato com a sequência de números primos.

Outros objetos astronômicos de massa considerável emitem essas ondas? Isso pode ser usado para encontrar planetas, ou apenas buracos negros?

Stuver: Não é apenas a massa que importa quando se olha para as ondas gravitacionais (embora quanto mais, melhor). É também a aceleração do objeto. Os buracos negros que descobrimos estavam orbitando um ao redor do outro a cerca de 60% da velocidade da luz quando se fundiram. É por isso que pudemos detectá-los durante a fusão. Mas não há mais ondas gravitacionais provenientes de lá, agora que eles se estabeleceram em uma massa com pouco movimento.

Então, qualquer coisa muito grande se movendo muito rapidamente pode criar ondas gravitacionais que podemos detectar.

Exoplanetas são muito menos propensos a ter a massa ou a aceleração para fazer ondas gravitacionais detectáveis. (Eles criam ondas gravitacionais, sim, mas elas não são fortes o suficiente nem estão na frequência correta para que possamos detectá-las.) Mesmo se um exoplaneta for enorme o suficiente para criar ondas gravitacionais detectáveis, a aceleração necessária provavelmente iria destruir o planeta. Isto é um problema, especialmente porque os planetas mais massivos tendem a ser gigantes gasosos.

Qual é a velocidade de uma onda gravitacional? Ela tem massa? Se ela não tiver massa, é possível que ela se mova mais rápido do que a velocidade da luz?

Stuver: Espera-se que as ondas gravitacionais viajem à velocidade da luz. Esta é a velocidade implicada pela teoria da relatividade geral. No entanto, experimentos como o LIGO vão começar a testar isto. É possível que elas possam viajar mais devagar, mas muito perto da velocidade da luz. Se for esse o caso, então a partícula teórica associada à gravidade, chamada gráviton – da qual são feitas as ondas gravitacionais – teria massa.

Como a gravidade atua entre massas, isto acrescentaria complicações na teoria. As complicações não tornam isso impossível, apenas improvável. Este é um grande exemplo do uso da navalha de Occam: a explicação mais simples geralmente é a correta.

Crédito: R. Hurt, Caltech/JPL

Será que isso terá qualquer impacto sobre a possibilidade de algum dia fazer um motor de dobra real?

Stuver: Como as ondas gravitacionais não têm uma interação significativa com a matéria, não há realmente uma forma de usá-las para impulsionar a matéria. Mesmo se isso fosse possível, uma onda gravitacional só poderia viajar até a velocidade da luz. Usá-las como um meio para fazer um motor de dobra ir mais rápido do que a velocidade da luz não é possível. Mas eu queria que fosse!

As ondas gravitacionais podem ser focadas? Qual seria o efeito de um feixe focado de gravidade num objeto gigantesco? Este efeito poderia ser empregado para melhorar aceleradores de partículas?

Stuver: É muito difícil concentrar as ondas gravitacionais porque o universo é transparente para elas; ou seja, as ondas gravitacionais passam através da matéria e saem inalteradas. Você precisaria alterar o caminho de pelo menos parte das ondas gravitacionais a fim de concentrá-las.

Pode haver uma forma exótica de lente gravitacional que poderia concentrar as ondas gravitacionais, pelo menos parcialmente, mas isto seria difícil (se não impossível) de utilizar para um propósito.

Se pudessem ser focadas, elas ainda seriam tão fracas que eu não sei de uma aplicação prática que poderiam ter. Mas isso é também o que disseram sobre o laser, que é apenas luz focada e coerente, então quem sabe?

Quais são as implicações agora sobre os dispositivos antigravidade?

Stuver: Para um dispositivo antigravidade, seria necessário transformar a força gravitacional atrativa em uma força repulsiva. Uma onda gravitacional é uma mudança que se propaga na gravidade, mas esta mudança nunca se torna repulsiva (isto é, negativa).

A gravidade é sempre atrativa porque a massa negativa parece não existir. Sim, existem cargas elétricas positivas e negativas, polos magnéticos norte e sul, mas apenas massa positiva. Por quê? Se houvesse massa negativa, uma bola feita desse material iria subir em vez de descer – ela seria repelida pela massa positiva da Terra.

Poderíamos aproveitar o poder dessas ondas para a exploração do espaço, por exemplo? Seria possível se comunicar através dessas ondas?

Stuver: A quantidade de massa que precisaria se mover com extrema aceleração para produzir ondas gravitacionais detectáveis pelo LIGO, por exemplo, é gigantesca. Por isso, o único mecanismo conhecido para gerar estas ondas são pares de estrelas de nêutrons, ou de buracos negros pouco antes de se fundirem em um só (há outras fontes também, mas isso funciona para a nossa discussão).

As chances de haver uma civilização avançada com os meios de manipular a matéria assim são incrivelmente pequenas. Mesmo se essas civilizações existissem, há maneiras muito mais eficientes de se comunicar conosco. Pessoalmente, eu não acho que iria acabar bem para nós se encontrássemos uma civilização com a capacidade de usar as ondas gravitacionais como um meio de comunicação, uma vez que ela também seria capaz de nos destruir facilmente.

O que isso significa para a possibilidade de viagem no tempo e teletransporte? Poderíamos encontrar aplicações práticas para este fenômeno, além de aprender sobre o universo?

Stuver: Neste momento, há duas boas formas de se viajar no tempo (somente para o futuro). A primeira é fazer uma viagem de ida e volta quase à velocidade da luz (este é o paradoxo do gêmeo na Teoria da Relatividade Restrita). A segunda é mover-se para uma área com gravidade muito maior, que foi destaque no filme Interestelar (isto é a viagem no tempo na Teoria da Relatividade Geral).

Dado que uma onda gravitacional é uma mudança que se propaga na gravidade, haveria flutuações muito pequenas na velocidade do tempo, mas uma vez que as ondas gravitacionais são inerentemente fracas, as flutuações no tempo também seriam.

Eu não consigo ver uma aplicação prática em direção à viagem no tempo (ou teletransporte) saindo das ondas gravitacionais. Aprendi a nunca dizer nunca – mas reduza suas expectativas.

Você antecipa um dia em que não confirmaremos mais as teorias de Einstein e começaremos a encontrar coisas estranhas e inesperadas? Pelo menos em termos de física cosmológica, às vezes parece que vivemos num mundo em que um Nostradamus escreveu as regras de forma clara.

Stuver: Com certeza! Como a gravidade é a mais fraca das forças, ela é também a mais difícil de se testar. Até agora, cada vez que a relatividade de Einstein foi posta à prova, ela previu com precisão os resultados desses experimentos. Mesmo os testes da relatividade geral que fizemos com as ondas gravitacionais confirmaram a relatividade geral.

Mas espero testar pequenos detalhes da teoria (talvez com ondas gravitacionais ou de outras formas) que comecem a mostrar coisas “engraçadas”, como resultados de um experimento muito próximos ao esperado, mas não exatamente. Isso não significa que a relatividade esteja errada, ela pode só precisar de alguns pequenos ajustes.

Cada vez que respondemos a uma pergunta sobre a natureza, isso leva a mais perguntas. No futuro, teremos perguntas que nem a relatividade geral poderá explicar completamente. É por isso que ser uma cientista é emocionante.

Crédito: NASA

O experimento detecta a onda por uma mudança na distância entre dois locais. A amplitude é maior numa direção do que na outra? Em outras palavras, as leituras implicam que o universo está mudando de tamanho? Se sim, será que isso confirma a expansão, ou algo inesperado?

Stuver: Seria preciso observar muitas ondas gravitacionais, vindo de muitas direções diferentes no universo, antes de responder a isso. Em astronomia, isso é criar um modelo de população. Quantos tipos de coisas estão em cada lugar? Essa é a questão principal.

Uma vez que tivermos muitas observações, começaremos a ver padrões irregulares: por exemplo, um tipo de ondas gravitacionais vindo de uma certa parte do universo, e quase nunca de outro lugar – isso seria um resultado extremamente interessante.

Alguns padrões poderiam confirmar a expansão – sobre a qual já temos bastante certeza – ou outros fenômenos que não imaginamos ainda. Mas precisamos ver muito mais ondas gravitacionais antes.

Como esta descoberta muda a narrativa sobre o período de inflação do Big Bang?

Stuver: Até agora, esta descoberta realmente não toca em nada relacionado à inflação cósmica. Para fazer declarações sobre isso, você precisa observar as ondas gravitacionais que sobraram do Big Bang. Esta é a missão do projeto BICEP2.

Em 2014, eles acreditaram ter observado indiretamente essas ondas gravitacionais, e pensaram ter visto os efeitos dessas ondas gravitacionais sobre a radiação cósmica de fundo. Infelizmente, os dados estavam contaminados com poeira cósmica.

O LIGO pode ser capaz de ver diretamente essas ondas gravitacionais no futuro (elas são o tipo mais fraco de ondas gravitacionais que esperamos detectar). Se virmos essas ondas gravitacionais, nós estaremos voltando mais na história do universo do que nunca antes, e aí poderemos fazer declarações sobre a inflação.

Você pode explicar como esta descoberta se relaciona à Teoria do Campo Unificado? Estamos mais perto de confirmá-la, ou mais perto de descartar isso?

Stuver: A teoria do campo unificado procura desenvolver uma teoria que pode explicar a física do muito pequeno (mecânica quântica) e do muito grande (relatividade geral).

No momento, os resultados da descoberta que fizemos focam principalmente em testar e confirmar a relatividade geral. Uma vez que nos concentramos na física do muito grande, não há muito que esta descoberta sozinha possa fazer para nos avançar em direção a uma teoria unificada.

Mas, à medida que aprendemos mais, isso não está fora de questão. Por enquanto, o campo da física de ondas gravitacionais é recém-nascido. Quanto mais aprendermos, mais seremos capazes de expandi-la em direção a uma teoria unificada. Mas devemos andar antes de podermos correr.

O que o público pode fazer para que possamos financiar mais pesquisas científicas como esta? Ao longo dos anos, o orçamento da ciência nos EUA foi cortado em muitos lugares, e eu temo que a nossa próxima geração não tenha fundos e equipamentos o bastante para fazer descobertas surpreendentes como esta.

Stuver: Entre em contato com seus deputados e senadores, e diga a eles que você apoia o financiamento da ciência. E eu não me refiro apenas ao LIGO. Muitas das tecnologias que nós tomamos por dado hoje, muitas das que fazem nossos smartphones funcionarem, foram originalmente desenvolvidas por pesquisas financiadas pelo governo, cujos resultados encontraram aplicações práticas.

E pesquisas como as que fazemos no LIGO não só vão nos ajudar a aprender mais sobre o nosso universo, como nos permitirão transformar o universo em nosso próprio laboratório para observar coisas que nunca poderemos replicar na Terra. Podemos aprender mais sobre a física nuclear vendo como a matéria se comporta numa estrela em colapso. Isto pode ter consequências de longo alcance.

Projetos como o LIGO também requerem que novas tecnologias sejam desenvolvidas para fazer nossas descobertas. Estas tecnologias muitas vezes chegam à indústria e ao uso diário. O laser já foi chamado de “brinquedo de físico”, pois achavam que ele nunca teria qualquer aplicação prática. Hoje nós o usamos para escanear as compras, tocar CDs, realizar procedimentos médicos e, sim, procurar por ondas gravitacionais.