There Is Sound In Space, Thanks To Gravitational Waves

Há muito que se diz que não há som no espaço, e isso é verdade, até certo ponto. O som convencional requer um meio para viajar, e é criado quando as partículas se comprimem e rarificam, fazendo qualquer coisa desde um “bang” alto para um único pulso até um tom consistente para repetir padrões. No espaço, onde há tão poucas partículas que tais sinais desaparecem, até mesmo erupções solares, supernovas, fusões de buracos negros e outras catástrofes cósmicas ficam em silêncio antes de serem ouvidas. Mas há outro tipo de compressão-e-arefação que não requer nada além do tecido do próprio espaço para viajar: as ondas gravitacionais. Graças aos primeiros resultados positivos de detecção do LIGO, estamos ouvindo o Universo pela primeira vez.

Ondas gravitacionais foram algo que precisava existir para que nossa teoria da gravidade fosse consistente, de acordo com a Relatividade Geral. Ao contrário da gravidade de Newton, onde quaisquer duas massas orbitando uma à outra permaneceriam para sempre nessa configuração, a teoria de Einstein previu que, durante tempo suficiente, as órbitas gravitacionais se decomporiam. Para algo como a Terra orbitando o Sol, você nunca viveria para experimentá-lo: levaria 10^150 anos para a Terra entrar em espiral no Sol. Mas para sistemas mais extremos, como duas estrelas de nêutrons em órbita uma da outra, nós poderíamos realmente ver as órbitas se deteriorando com o tempo. Para conservar energia, a teoria da gravidade de Einstein previu que a energia deve ser transportada sob a forma de ondas gravitacionais.

Estas ondas são loucamente fracas, e seus efeitos sobre os objetos no espaço-tempo são estupendamente minúsculos. Mas se você souber como ouvi-las – assim como os componentes de um rádio sabem como ouvir essas ondas de luz de longa frequência – você pode detectar esses sinais e ouvi-los assim como ouviria qualquer outro som. Com uma amplitude e uma frequência, eles não são diferentes de qualquer outra onda. A Relatividade Geral faz previsões explícitas de como essas ondas devem soar, sendo os maiores sinais geradores de ondas os mais fáceis de detectar. A maior amplitude soa toda? É o “chirp” inspirador e mesclado de dois buracos negros que se espiralam um no outro.

Em Setembro de 2015, apenas dias depois do LIGO avançado ter começado a recolher dados pela primeira vez, um sinal grande e invulgar foi detectado. Ele surpreendeu a todos, pois teria carregado tanta energia em apenas uma pequena explosão de 200 milissegundos, que teria brilhado mais que todas as estrelas do Universo observável combinadas. No entanto, esse sinal revelou-se robusto, e a energia dessa explosão veio de dois buracos negros – de 36 e 29 massas solares – fundindo-se em um único de 62 massas solares. Aquelas três massas solares que faltam? Elas foram convertidas em energia pura: ondas gravitacionais ondulando através do tecido do espaço. Esse foi o primeiro evento LIGO detectado.

Agora é mais de um ano depois, e LIGO está atualmente em sua segunda corrida. Não só foram detectadas outras fusões de buracos negros, mas o futuro da astronomia de ondas gravitacionais é brilhante, pois novos detectores abrirão nossos ouvidos para novos tipos de sons. Os interferómetros espaciais, como o LISA, terão linhas de base mais longas e ouvirão sons de frequência mais baixa: sons como as fusões de estrelas de neutrões, os festivais de buracos negros supermassivos e as fusões com massas altamente desiguais. As matrizes de tempo pulsar podem medir frequências ainda mais baixas, como órbitas que levam anos a completar, como o par de buracos negros supermassivos: JO 287. E combinações de novas técnicas irão procurar as mais antigas ondas gravitacionais de todas, as ondas relíquias previstas pela inflação cósmica, até ao início do nosso Universo.

Há tanto para ouvir, e nós só agora começamos a ouvir pela primeira vez. Felizmente, a astrofísica Janna Levin – autora do fantástico livro “Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space” – está pronta para dar a palestra pública no Perimeter Institute esta noite, 3 de Maio, às 19h Leste / 16h Pacífico, e será transmitido ao vivo aqui e gravado ao vivo por mim em tempo real! Junte-se a nós, então, para saber ainda mais sobre este incrível tópico, e mal posso esperar para ouvi-la falar.

O blog ao vivo começará alguns minutos antes das 16:00 PM Pacific; junte-se a nós aqui e siga-nos!

3:50 PM: Faltam dez minutos para o showtime, e para celebrar, aqui estão dez fatos divertidos (ou tantos quantos conseguirmos entrar) sobre gravidade e ondas gravitacionais.

1). Ao invés de “ação à distância”, onde uma força invisível é exercida entre as massas, a relatividade geral diz que a matéria e a energia empenam o tecido do espaço-tempo, e que o espaço-tempo empenado é o que se manifesta como gravitação.

2). Em vez de viajar à velocidade infinita, a gravitação viaja apenas à velocidade da luz.

3). Isto é importante, porque significa que se alguma mudança ocorrer na posição, configuração, movimento, etc. de um objeto massivo, as mudanças gravitacionais resultantes propagam-se apenas à velocidade da luz.

3:54 PM: 4.) Isto significa que as ondas gravitacionais, por exemplo, só se podem propagar à velocidade da luz. Quando “detectamos” uma onda gravitacional, estamos detectando o sinal de quando essa configuração de massa mudou.

5). O primeiro sinal detectado pela LIGO ocorreu a uma distância de aproximadamente 1,3 bilhões de anos-luz. O Universo era cerca de 10% mais jovem do que é hoje quando essa fusão ocorreu.

6). Se a gravitação viajasse a uma velocidade infinita, as órbitas planetárias seriam completamente instáveis. O facto de os planetas se moverem em elipses à volta do Sol exige que se a Relatividade Geral estiver correcta, a velocidade da gravidade deve ser igual à velocidade da luz com uma precisão de cerca de 1%.

3:57 PM: 7.) Existem muitos, muitos mais sinais de ondas gravitacionais do que o que LIGO tem visto até agora; apenas detectamos o sinal mais fácil de detectar.

8). O que torna um sinal “fácil” de ver é uma combinação de sua amplitude, ou seja, o quanto ele pode deformar um comprimento de caminho, ou uma distância no espaço, bem como sua freqüência.

9.) Como os braços do LIGO têm apenas 4 quilômetros de comprimento, e os espelhos refletem a luz milhares de vezes (mas não mais), isso significa que o LIGO só pode detectar freqüências de 1 Hz ou mais rápidas.

4:08 PM: Se considerarmos o que há lá fora no Universo, não tínhamos maneira de saber nada disto na época de Galileu. Estávamos pensando em manchas solares, Saturno, etc., e éramos completamente incapazes de conceber as grandes escalas cósmicas ou distâncias. Esqueça a “concepção de outras galáxias”, nós não tínhamos concebido nada disso!

4:10 PM: Janna está a mostrar um dos meus vídeos favoritos (que eu reconheço) do Sloan Digital Sky Survey! Eles pegaram um levantamento de 400.000 das galáxias mais próximas e as mapearam em três dimensões. Este é o aspecto do nosso Universo (próximo), e como você pode ver, ele realmente é na sua maioria espaço vazio!

4:12 PM: Ela faz um óptimo ponto de vista que ela brilha totalmente: apenas cerca de 1 em 1000 estrelas se tornará um buraco negro. Há mais de 400 estrelas em 30 anos-luz de nós, e zero delas são estrelas O ou B, e zero delas se tornaram buracos negros. Estas estrelas mais azuis, mais maciças e de vida mais curta são as únicas que se transformarão em buracos negros.

4:15 PM: Quando você considera “de onde veio a teoria de Einstein”, Janna faz um grande ponto: a idéia do princípio da equivalência. Se você tem gravidade, você pode considerar que você se sente “pesado” na sua cadeira, por exemplo. Mas esta reação que você tem é exatamente a mesma reação que você sentiria se estivesse acelerando, em vez de gravitar. Não é a gravidade que você sente, são os efeitos da matéria ao seu redor!

4:17 PM: A banda OKGO fez um vídeo a voar no cometa do vómito. Janna não pode mostrar a coisa toda, com áudio, por razões de direitos autorais, e o recomenda altamente. Felizmente para você, graças à internet… aqui está ele! Aproveite à vontade!

4:19 PM: Há outra grande revelação da gravidade: a forma como entendemos como as coisas funcionam vem de ver como as coisas caem. A Lua está “caindo” ao redor da Terra; Newton percebeu isso. Mas a Terra está caindo ao redor do Sol; o Sol está “caindo” ao redor da galáxia; e os átomos “caem” aqui na Terra. Mas a mesma regra se aplica a todos eles, desde que todos eles estejam em queda livre. Incrível!

4:21 PM: Aqui está uma revelação divertida: pare de pensar num buraco negro como matéria desmoronada e esmagada, mesmo que tenha sido assim que se originou. Ao invés disso, pense nisso como simplesmente uma região de espaço vazio com fortes propriedades gravitacionais. Na verdade, se tudo o que você fez foi atribuir “massa” a essa região do espaço, isso definiria perfeitamente um buraco negro Schwarzschild (não carregado, não rotativo).

4:23 PM: Se você caísse num buraco negro a massa do Sol, você teria cerca de um microssegundo, desde que cruzasse o horizonte do evento (segundo Janna) até ser esmagado até a morte na singularidade. Isto é consistente com o que uma vez calculei, onde, para o buraco negro no centro da Via Láctea, teríamos cerca de 10 segundos. Como o buraco negro da Via Láctea é 4.000.000 vezes maior que o nosso Sol, o tipo de matemática funciona!

4:26 PM: Como você detectaria uma onda gravitacional? Honestamente, seria como estar na superfície do oceano; você se agitaria para cima e para baixo ao longo da superfície do espaço, e havia uma grande discussão na comunidade sobre se essas ondas eram reais ou não. Só quando Joe Weber apareceu e decidiu tentar medir essas ondas gravitacionais, usando um dispositivo fenomenal — uma barra de alumínio — que vibraria se uma onda ondulante “arrancasse” muito ligeiramente a barra.

Weber viu muitos desses sinais que ele identificou com ondas gravitacionais, mas estas, infelizmente, nunca foram reproduzidas ou verificadas. Ele não era, por toda a sua esperteza, um experimentador muito cuidadoso.

4:29 PM: Há uma boa pergunta de Jon Groubert no twitter: “Eu tenho uma pergunta sobre algo que ela disse – há algo dentro de um buraco negro, não há? Como uma pesada estrela de nêutrons”. Deve haver uma singularidade, que ou é pontual (para uma singularidade não rotativa) ou um anel unidimensional (para um rotativo), mas não condensado, colapsado, matéria tridimensional.

Por que não?

p>p>Por que para permanecer como uma estrutura, uma força precisa se propagar e ser transmitida entre partículas. Mas as partículas só podem transmitir forças à velocidade da luz. Mas nada, nem mesmo a luz, pode se mover “para fora” em direção à saída de um buraco negro; tudo se move em direção à singularidade. E assim nada pode se sustentar, e tudo se desmorona na singularidade. Triste, mas a física torna isto inevitável.

4:32 PM: Depois das falhas de Weber (e da queda da fama), a idéia do LIGO surgiu por Rai Weiss nos anos 70. Levou mais de 40 anos para a LIGO se concretizar (e mais de 1.000 pessoas para que isso acontecesse), mas o mais fantástico foi que isso foi experimentalmente possível. Ao fazer dois braços de alavanca muito longos, você podia ver o efeito de uma onda gravitacional passageira.

4:34 PM: Este é o meu vídeo favorito, ilustrando o que uma onda gravitacional faz. Ela move o espaço em si (e tudo que está dentro dela) para frente e para trás por uma pequena quantidade. Se você tiver um interferômetro laser configurado (como o LIGO), ele pode detectar essas vibrações. Mas se você estivesse suficientemente perto e seus ouvidos fossem sensíveis o suficiente, você poderia sentir este movimento no seu tímpano!

4:35 PM: Eu tenho uns auscultadores muito bons, Perímetro, mas infelizmente não consigo ouvir os diferentes sinais do modelo de ondas gravitacionais que a Janna está a tocar!

4:49 PM: Isto é OJ 287, onde um buraco negro de 150 milhões de massa solar orbita um buraco negro de ~18 bilhões de massa solar. Leva 11 anos para que uma órbita completa ocorra, e a Relatividade Geral prevê uma precessão de 270 graus por órbita aqui, comparado com 43 segundos de arco por século para Mercúrio.

4:51 PM: Janna fez um trabalho incrível terminando na hora certa aqui; eu nunca vi uma hora de conversa terminar após 50 minutos em uma palestra pública do Perímetro. Wow!