A nova onda de ondas gravitacionais | espaço

umaCerca de 10 bilhões de trilhões de trilhões de milissegundos No início da criação no Big Bang, acredita-se que o universo experimentou um surto de crescimento curto, mas absurdamente rápido. Esse evento, chamado de inflação, foi tão catastrófico que o tecido do espaço e do tempo se sintonizou com as ondas gravitacionais (GWs). Em comparação, os GWs que foram descobertos pela primeira vez há seis anos estavam causando um grande estrondo, que eram minúsculos casos de buracos negros em colisão. Mas agora os cientistas estão na Europa espaço A ESA tem como objetivo objetivos maiores – e espera em breve ser capaz de detectar os ecos tênues das dores inflacionárias do nascimento do universo, cerca de 14 bilhões de anos após o evento, usando o maior instrumento já feito. Centenas de vezes maior que a Terra, o detector de ondas gravitacionais planejado de Esa flutuará no espaço e procurará oscilações no espaço-tempo causadas por todos os tipos de convulsões astrofísicas massivas.

O primeiro GW foi identificado em 2015 pelo Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (Ligo), um projeto internacional cujo sucesso rendeu o Prêmio Nobel de Física 2017 a três de seus principais proponentes. O Ligo consiste em dois grandes detectores nos estados americanos de Washington e Louisiana. Cada um deles implanta dois túneis de 2,5 milhas (4 quilômetros), que se cruzam em um ângulo reto, nos quais o feixe de laser viaja ao longo do espelho na extremidade oposta e depois volta para trás. As ondas de luz que retornam interferem umas nas outras conforme os braços se cruzam. Quando o GW passa, ele encolhe ligeiramente ou aumenta o espaço-tempo. Como esse efeito será diferente em cada braço, ele altera a sincronização das ondas de luz e, portanto, altera a interferência dos dois feixes.

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LEGO não está sozinho. Uma segunda descoberta do GW no dia de Natal de 2015 foi posteriormente confirmada em colaboração com o detector europeu Virgo, com sede na Itália. Um detector no Japão, chamado Kagra, começou a operar no início do ano passado, e outros dispositivos estão planejados na Índia e na China.

A maioria dos buracos negros vistos até agora parecem ser causados ​​pela colisão de dois buracos negros. Essas estrelas são compostas de estrelas muitas vezes mais massivas que o nosso Sol, que queimaram e entraram em colapso sob a influência de sua própria gravidade. De acordo com a teoria geral da relatividade de Albert Einstein, que descreve a gravidade como a distorção do espaço-tempo causada pela massa, o colapso pode continuar até que nada permaneça além de uma “singularidade” muito densa, que produz um campo gravitacional tão intenso que nem mesmo a luz pode escapar. dele.

A colisão de dois buracos negros – um evento detectado pela primeira vez pelo Observatório de Ondas Gravitacionais a Laser, ou Ligo – é mostrada nesta imagem estática de uma simulação de computador. Foto: SXSproject

Se dois buracos negros colidirem devido à atração gravitacional um do outro, eles podem orbitar um ao outro e diminuir gradualmente para dentro até que se unam. A relatividade geral previu há mais de um século que tais eventos enviariam ondas GW através do universo, embora não houvesse evidência direta para eles até a descoberta do LIGO. Eles também podem ser causados ​​por outros fenômenos astrofísicos extremos, como fusões de estrelas de nêutrons: estrelas em chamas menos massivas que buracos negros que interromperam seu colapso no ponto em que consistem em matéria tão densa que o dedal de uma pessoa pesa até 50 m elefante.

GW também pode ser produzido por objetos muito maiores. No centro da nossa galáxia, e de muitas outras galáxias, está um buraco negro supermassivo vários milhões de vezes a massa do nosso Sol, formado a partir do colapso de estrelas e nuvens de gás e poeira cósmica. Objetos ondulando nesses buracos negros supermassivos geram GWs que oscilam em frequências mais baixas e comprimentos de onda mais longos do que as ondas de fusão dos minúsculos buracos negros vistas por Ligo e Virgo.

Os detectores baseados em terra não conseguem localizar essas coisas – seria como tentar capturar uma baleia em uma tigela de lagosta. Para vê-los, o detector de interferometria precisaria de braços muito mais longos. Isso é complicado, pois cada braço do canal deve ser longo, reto e livre de qualquer vibração. Então, os pesquisadores planejam fazer gyots de baixa frequência no espaço. O mais avançado desses planos é o dispositivo que agora está sendo construído para a Esa: a: Interferômetro de laser de antena espacial (Lisa).

O LISA enviará lasers de uma espaçonave para ricochetear em um espelho que flutua livremente dentro de outra espaçonave. Usando três espaçonaves, você pode criar uma estrutura em forma de L de braço duplo como o Ligo. Mas os braços não precisam estar em ângulos retos: em vez disso, Lisa posicionará suas três espaçonaves a vários milhões de quilômetros de distância nos cantos do triângulo, com cada canto se tornando um dos três detectores. Todo o grupo seguirá a órbita da Terra, seguindo nosso planeta por cerca de 30 metros.

Para testar a viabilidade da realização de interferometria a laser no espaço, em 2015 a Esa lançou um projeto piloto denominado Lisa Pathfinder – A nave espacial demonstrou tecnologia em pequena escala. a missão, Concluído em 2017, ele “nos surpreendeu”, diz Issa Paul McNamara, que foi o cientista do projeto que comandou a missão. “Cumpriu nossos requisitos no primeiro dia, sem modificação ou nada.” Ele mostrou que um espelho flutuando dentro de uma espaçonave pode permanecer incrivelmente estacionário, oscilando por não mais que um milésimo do tamanho de um único átomo. Para mantê-lo estável, a espaçonave usa pequenos propulsores para responder à força da luz que vem do sol.

Em outras palavras, McNamara diz: “Nossa espaçonave era mais estável do que o tamanho do coronavírus.” E é, também, porque o LISA precisaria detectar uma mudança no comprimento do braço que, devido ao GW, é um décimo da largura de um átomo em um milhão de milhas.

No entanto, o lançamento de Lisa não acontecerá por pelo menos uma década. “Temos que construir três satélites e cada um deles tem muitas partes”, diz McNamara. “Leva tempo – e esse é um dos fatos infelizes de uma tarefa muito complexa.” O próximo marco é a “adoção oficial da missão”, prevista para 2024. “Neste ponto, saberemos os detalhes da missão e quais países membros da ESA e os Estados Unidos contribuem com o quê e quanto custa, “diz o astrofísico Emmanuel Berti, da Jones University. Hopkins em Baltimore.

O Japão e a China também estão nos estágios iniciais de planejamento de detectores espaciais GW. McNamara vê isso não como uma competição, mas como uma coisa boa – porque com mais de um detector seria possível usar a triangulação para determinar a origem das ondas.

“Lisa mudará a astronomia GW da mesma forma que transcende a luz visível [to radio waves, X-rays etc] Foi uma virada de jogo na astronomia comum ”, diz Bertie.“ Ele estará olhando para diferentes classes de fontes de GW. ”Ao estudar fusões de buracos negros supermassivos, diz ele,“ esperamos entender muito sobre a formação da estrutura em o universo, e sobre a própria gravidade. ”Lisa já tinha visto GWs” primitivos “da inflação no início do Big Bang, então isso pode testar teorias sobre como tudo começou.


TEsta pode ser outra maneira de ver GWs de baixa frequência que não requerem um detector específico. Uma colaboração chamada North American Nanohertz Gravitational Wave Observatory (NanoGrav) usa observações feitas por uma rede global de radiotelescópios para pesquisar o efeito dos GWs no tempo de “relógios cósmicos” chamados pulsares.

Os pulsares orbitam rapidamente em torno de estrelas de nêutrons que enviam feixes intensos de ondas de rádio de seus pólos, varrendo o céu como os raios de um farol. Os sinais do pulsar são muito regulares e previsíveis. “Se um GW passa entre o pulsar e a Terra, ele distorce o espaço-tempo sobreposto”, diz Stephen Taylor, membro da equipe do NanoGrav, da Universidade Vanderbilt, no Tennessee, fazendo com que o pulso chegue mais cedo ou mais tarde do que o esperado.

Green Bank Telescope (GBT)
The Green Bank Telescope (GBT) no National Radio Astronomy Observatory na Virgínia, parte do projeto NanoGrav. Fotografia: John Arnold Images Ltd / Almy

Na verdade, os pulsares tornam-se detectores. Como disse Julie Comerford, membro da equipe do NanoGrav, da Universidade do Colorado em Boulder, isso dá ao “detector” braços tão longos quanto a distância entre a Terra e os pulsares: talvez milhares de anos-luz. Por causa desse tamanho, os sinais que podem ser detectados pelo NanoGrav têm comprimentos de onda muito longos e frequências muito baixas, mesmo além do alcance de LISA e produzidos por buracos negros supermassivos bilhões de vezes maiores que o Sol, que se fundem quando galáxias inteiras colidem . Taylor diz que nenhum outro detector pode sentir isso. Embora inimaginavelmente desastrosas, essas integrações são bastante comuns, e o NanoGrav terá o tipo de campanha publicitária que muitos deles fizeram. “Em todo o universo, existem pares de buracos negros supermassivos orbitando uns aos outros e produzindo gigawatts”, diz Commerford. “Essas ondas produzem um mar de GWs que estamos balançando.”

Em janeiro, a equipe do NanoGrav foi liderada pelo pesquisador de pós-doutorado de Comerford, Joseph Simon, no Colorado Relate a primeira descoberta possível deste fundo GW. Embora mais trabalho seja necessário para verificar se o sinal é realmente causado por GWs, Commerford chama o resultado de “o resultado astrofísico mais empolgante que vi nos últimos anos”.

Se o NanoGrav está, de fato, usando um detector GW com o tamanho de anos-luz, o físico Sougato Bose, da University College London, acha que podemos fazer um pequeno o suficiente para caber dentro de um armário. Sua ideia é baseada em um dos efeitos mais incomuns da teoria quântica, que geralmente descreve objetos muito pequenos, como átomos. Os objetos quânticos podem ser colocados no que é chamado de superposição, o que significa que suas propriedades não são exclusivamente determinadas até que sejam medidas: mais de um resultado é possível.

Os cientistas quânticos podem rotineiramente colocar átomos em uma superposição quântica – mas esse comportamento estranho desaparece para objetos grandes como bolas de futebol, que estão aqui ou ali, quer olhemos ou não. Pelo que sabemos, não é que a superposição seja impossível para algo tão grande – é impossível mantê-la por tempo suficiente para ser detectada, porque a superposição é facilmente destruída por qualquer interação com os arredores do objeto.

Sougato Bose, físico da University College London, está liderando uma equipe de pesquisadores que planeja chegar experimentalmente à gravidade quântica.
Sougato Bose, físico da University College London, está liderando uma equipe de pesquisadores que planeja chegar experimentalmente à gravidade quântica. Foto: Cortesia de Sougato Bose

Bose e colegas sugerem que se pudéssemos criar uma superposição quântica de um objeto de tamanho médio entre um átomo e uma bola de futebol – um pequeno cristal com cerca de cem nanômetros de diâmetro, do tamanho de uma grande partícula viral – a superposição seria tão arriscada que seria sensível a um GW transitório. Na verdade, os dois estados potenciais de superposição quântica podem se sobrepor como duas ondas de luz – e as distorções espaço-temporais induzidas por GW apareceriam como uma mudança nessa interferência.

Bose acredita que os nanocristais de diamante que são mantidos em um vazio mais do que o espaço sideral e resfriados dentro de um filamento de zero absoluto podem ser mantidos em superposição por tempo suficiente para fazer o truque. Não será fácil, mas ele diz que todos os desafios técnicos já são apresentados individualmente – é uma questão de colocá-los todos juntos. “Não vejo impedimento para fazer isso nos próximos 10 anos ou mais, se houver financiamento suficiente”, diz ele.

Se esses e outros desenvolvimentos levarem a um boom na astronomia GW, o que veremos? “Quando você abre uma nova janela no universo, geralmente vê coisas que não esperava”, diz McNamara. Além de ver mais tipos de eventos que já sabemos que causam GWs, podemos receber sinais que não podemos explicar facilmente. “É aí que a diversão começa”, diz McNamara.

Annaliese Franke

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