O que são ondas gravitacionais e por que são importantes?
Alexandre Schossler11 de fevereiro de 2016
Cientistas comprovaram a única parte da Teoria da Relatividade, de Albert Einstein, que ainda não havia sido confirmada. Entenda o que é uma onda gravitacional, que relevância ela tem e como é medida.
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O que são ondas gravitacionais?
Conforme a Teoria Geral da Relatividade, do físico alemão Albert Einstein, o espaço e o tempo se fundem numa nova dimensão, o espaço-tempo.
O espaço-tempo é deformado por corpos com massa, por exemplo, como um colchão é deformado pelo corpo de uma pessoa.
Quando um corpo com massa se acelera, ele forma ondas gravitacionais, pequenas ondulações no tecido do espaço-tempo que o distorcem.
Um corpo com massa pode ser posto em movimento, ou acelerado, por um acontecimento de grande impacto, por exemplo, após a explosão de uma estrela, a fusão de dois buracos negros ou o Big Bang, a grande explosão que deu origem ao Universo.
As ondas gravitacionais se propagam à velocidade da luz. Ao contrário das ondas sonoras ou da luz, elas se propagam sem sofrer desvios – o espaço-tempo é que se altera quando elas passam.
As ondas gravitacionais foram descritas há cem anos por Einstein.
Por que a comprovação da existência delas é tão importante?
A comprovação da existência das ondas gravitacionais encerra a busca por provas de uma parte importante da teoria de Einstein, a única que ainda não havia sido provada.
A certeza de que as ondas gravitacionais de fato existem altera a compreensão que os cientistas têm do Universo, principalmente de conceitos fundamentais, como espaço, tempo e gravidade.
Se as ondas gravitacionais podem ser detectadas, isso permite ampliar os conhecimentos sobre estrelas, galáxias e buracos negros distantes, com base nas ondas por eles produzidas.
Ondas gravitacionais formadas pelo Big Bang poderiam fornecer novos conhecimentos sobre como o Universo se formou.
Indiretamente, a existência das ondas gravitacionais também amplia os indícios de que os buracos negros, que nunca foram observados, de fato existem.
Elas também permitem uma melhor compreensão da natureza da gravidade, já que, na teoria de Einstein, a gravidade é um fenômeno resultante da deformação (curvatura) do espaço-tempo por um corpo com massa.
Como os cientistas medem as ondas gravitacionais?
O observatório Ligo (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), nos Estados Unidos, foi fundado em 1992 e fracassou nas suas primeiras tentativas de comprovar a existência das ondas gravitacionais.
A tecnologia mais recente, porém, é quatro vezes mais sensível do que as anteriores e pode comprovar ao menos alguns tipos de ondas gravitacionais, aquelas mais comuns.
A tecnologia do Ligo consiste de dois detectores ultrassensíveis, distantes cerca de 3 mil quilômetros um do outro. Um fica em Livingston, no estado da Luisiana, e o outro, em Hanford, Washington.
Os dois observatórios possuem dois túneis idênticos, em forma de L, com quatro quilômetros de comprimento cada um.
Os pesquisadores enviam, ao mesmo tempo, um raio laser em cada um dos túneis. Os raios batem no final do túnel e retornam ao ponto de início. Se, ao se encontrarem, as cristas e os vales das ondas do raio laser se anularem, é porque nenhuma deformação do espaço-tempo (ou seja, nenhuma onda gravitacional) pôde ser medida.
Se, porém, as cristas e os vales das ondas do raio laser não se anularem, é porque o espaço-tempo foi deformado por uma onda gravitacional (na prática, os túneis ficaram mais longos ou mais curtos durante a passagem da onda gravitacional, já que o espaço-tempo foi deformado).
Essa deformação é a comprovação da existência da onda gravitacional.
A existência de dois observatórios permite aos cientistas comparar informações, como horário e direção de uma onda gravitacional.
O Ligo não é o único observatório capaz de medir ondas gravitacionais. Em todo o mundo há mais de 70 organizações capazes de fazê-lo.
Por que demorou tanto para se comprovar a existência delas?
Basicamente porque elas são muito difíceis de serem medidas, pois, quando chegam até a Terra, a amplitude delas já é muito reduzida – menor do que o núcleo de um átomo. Assim, são necessários detectores muito sensíveis para medi-las.
O próprio Einstein duvidava que seria possível comprovar a existência das ondas gravitacionais por elas serem muito pequenas ao chegarem à Terra.
Câmera gigante para partículas minúsculas
No acelerador de partículas da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN), íons chocam-se uns contra os outros na velocidade da luz. Enormes câmeras digitais fotografam partículas elementares resultantes.
Foto: DW/F.Schmidt
Porta de entrada para o mundo dos íons velozes
O detector ALICE, da Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN), fica cerca de 90 metros abaixo deste edifício colorido em Genebra, na Suíça. ALICE é uma enorme câmera digital capaz de fotografar as menores partículas do universo – componentes do núcleo atômico. A pintura na parede reproduz a câmera quase em tamanho real; a original ainda é um pouco maior.
Foto: DW/F. Schmidt
Imagens do mundo do Big Bang
Assim são as imagens captadas pelo detector ALICE. Em colisões de prótons ou de íons de chumbo à velocidade da luz, as menores das partículas elementares são liberadas – como a recentemente descoberta Bóson de Higgs. Tais partículas elementares compunham o nosso universo no primeiro trilionésimo de segundo após o Big Bang.
Foto: 2011 CERN
Capacetes obrigatórios para fotógrafos de partículas
Quatro câmeras de detectores estão localizadas ao longo do Large Hadron Collider (LHC), o acelerador de partículas do CERN. Elas são chamadas de ALICE, ATLAS, CMS e LHCb. Para vê-las, é preciso ir ao subsolo dos Alpes suíços e franceses. O uso de capacete é obrigatório, pois há tubos e fios por todos os lados, e há risco de bater a cabeça ou de uma ferramenta cair do alto.
Foto: DW/F.Schmidt
Tubo de alta velocidade
Íons de chumbo e prótons de hidrogênio são acelerados neste tubo localizado sob a Suíça e a França. As partículas voam através do tubo a vácuo com a velocidade de um trem-bala. Eletroímãs as mantêm em suas órbitas. Os quatro grandes detectores em que ocorrem as colisões de partículas dão acesso ao tubo.
Foto: DW/F.Schmidt
Não apenas um, mas dois tubos
Sob o revestimento azul, escondem-se dois tubos, pois os fluxos de partículas devem correr em sentidos opostos. Apesar de os prótons e íons se dirigirem uns em direção aos outros à velocidade da luz, eles não colidem com o dobro dessa velocidade. Do ponto de vista de uma partícula voando, a outra partícula aproxima-se somente à velocidade da luz.
Foto: DW/F.Schmidt
Resfriamento extremo
Os eletroímãs que mantêm as partículas em curso consistem de bobinas supercondutoras. Os cabos são resfriados a -271,3 graus Celsius, ficando sem nenhuma resistência elétrica. Para o processo, o acelerador de partículas precisa de muito hélio líquido, que flui através dos tubos. Trata-se do maior refrigerador no mundo.
Foto: DW/F.Schmidt
Ímãs de alta precisão
O LHC não é um círculo exato, mas composto por linhas retas interrompidas por curvas, nas quais ímãs desviam os feixes. Os eletroímãs são extremamente precisos: pouco antes da colisão, eles focam o feixe com tanta exatidão que a probabilidade de dois prótons colidirem exatamente é altíssima. A colisão ocorre bem no centro do detector.
Foto: DW/F.Schmidt
Tudo teve que passar por esse buraco
Os detectores são tão grandes como prédios de vários andares. Eles precisaram ser levados ao fundo da montanha em partes, através desta fenda estreita, por exemplo. Abaixo há uma caverna gigantesca, onde a ALICE foi montada – semelhante a um barco dentro de uma garrafa de vidro.
Foto: DW/F.Schmidt
Câmera digital com 8 mil imagens por segundo
Na foto, vê-se o detector ALICE aberto e inativo. Em operação, os feixes de íons encontram-se em seu centro. As partículas resultantes voam em direções diferentes por várias camadas de chips de silício – semelhantes aos sensores de câmeras digitais. Os chips registram os caminhos das partículas. Por segundo, são gerados 1,25 gigabytes de dados digitais.
Foto: DW/F. Schmidt
Eletroíma torna partículas visíveis
Este bloco azul é um enorme eletroímã, parte importante do detector ALICE. O campo magnético gerado por ele torna possível identificar as partículas produzidas na colisão. Dependendo do sentido em que voam, os investigadores podem identificar se são positivas, negativas ou neutras, por exemplo.
Foto: DW/F.Schmidt
Captura de múons
O detector Atlas tem aparelhos de medição muito especiais: os chamados espectrômetros de múons. Eles ficam fora do núcleo detector, como se fossem grandes asas. Assim, é possível capturar um parente do elétron: o múon. É difícil detectá-lo, pois ele existe por apenas dois milionésimos de segundo.
Foto: DW/F.Schmidt
Observação de uma distância segura
Todos os detectores têm salas de controle como esta do Atlas. Se o acelerador de partículas estiver em operação, ninguém pode permanecer nas instalações subterrâneas. Um feixe de prótons fora de controle seria capaz de derreter 500 quilos de cobre. Se o hélio escapar, há risco de congelamento e asfixia. Além disso, o feixe de partículas pode gerar radioatividade.
Foto: DW/F. Schmidt
Para onde vão as fotos?
Os quatro detectores fornecem dados 40 milhões de vezes por segundo. Uma vez que nem todas as colisões são interessantes para os cientistas, elas são filtradas. No final, sobram cerca de cem colisões por segundo. Isso ainda equivale a 700 megabytes por segundo – o conteúdo de um CD padrão. Todos os dados são armazenados no centro de computação do CERN.
Foto: DW/F.Schmidt
Rede mundial de computadores
Por ano, o CERN produz dados que resultariam numa pilha de CDs de 20 quilômetros de altura. Apesar de tais arquivos serem capazes de armazenar uma grande quantidade de dados, ainda não seria suficiente. Por isso, os dados são distribuídos pelo mundo: com seus centros de dados, mais de 200 universidades e instituições de pesquisa formam uma rede mundial de computadores do CERN.
Foto: DW/F.Schmidt
Dados para a humanidade
Físicos de partículas de todo o mundo têm acesso aos dados do CERN. Como uma espécie de projeto dedicado à toda a humanidade, o CERN está à disposição de universidades e instituições que se dedicam à pesquisa.