Pergunte ao Ethan #74: Ondas Gravitacionais
Crédito da imagem: John Antoniadis, et al., A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Binary, Science 26 de abril de 2013: Vol. 340 não. 6131.
Luz e som são ondas que todos nós conhecemos. Mas a gravidade também os faz.
Doravante, o espaço por si mesmo e o tempo por si só estão condenados a desaparecer em meras sombras, e apenas uma espécie de união dos dois preservará uma realidade independente. – Hermann Minkowski
Quando Einstein propôs sua teoria da Relatividade geral , não apenas abalou os fundamentos da própria física, como os demoliu completamente, colocando um novo em seu lugar. Em vez de ter matéria existindo em pontos no espaço e momentos no tempo, levantou a hipótese de que o espaço e o tempo tinham suas próprias dimensões em uma estrutura de espaço-tempo de quatro dimensões, e essa estrutura evoluiu devido à presença e interações de toda a matéria e energia dentro. isto. Foi confirmado por uma série de previsões incríveis, desde o desvio gravitacional para o vermelho até a curvatura da luz das estrelas pela presença de matéria.
Crédito da imagem: Hyper-Mathematics — Uzayzaman / Spacetime.
Para a coluna Ask Ethan de hoje, você continuou a enviar seus perguntas e sugestões . O sortudo escolhido tem a honra de ser a pergunta mais curta já escolhida em nossa série, cortesia de Adam Rabung, que pergunta:
Prezado Ethan,
O que diabos são ondas de gravidade?
Obrigado,
Adão
Vamos começar falando sobre um tipo diferente de onda, com a qual você pode estar mais familiarizado: uma agua aceno.
Crédito da imagem: 2005–2010 INVESTIMENTOS DE TENDÊNCIAS GLOBAIS , através da http://www.etftrends.com/2010/11/etfs-fall-despite-irelands-bailout/ .
Você pode começar com um corpo de água perfeitamente imóvel e plano. A superfície da água permanece calma, intacta e não perturbada por quaisquer forças externas.
O que acontece se você colocar, digamos, um inseto suavemente na superfície da água?
Crédito da imagem: Ingo Arndt, via http://www.geo.de/GEOlino/natur/tiere/fotoshow-von-der-schoenheit-der-wanzen-53221.html?t=img&p=8 .
Ele deforma ligeiramente a superfície, pois a força descendente da gravidade sobre o inseto exerce uma força na superfície, fazendo com que ela se curve.
Se estivermos dispostos a fazer algo menos gentil, como jogar um objeto de uma grande altura na superfície da água, o que veremos?
Veríamos o padrão de ondulação familiar que associamos às ondas da água. À medida que perturbamos a superfície da água, a energia se propaga para fora a uma velocidade específica dada pelas propriedades do meio (água) pelo qual a onda viaja.
As coisas ainda são análogas – mas um pouco menos intuitivas – se começarmos a olhar para um fenômeno mais quântico: ondas de luz.
Crédito da imagem: Diário Oficial da Federação (DOF).
A luz também pode ser pensada como uma ondulação que se move através do espaço-tempo. Tem uma energia característica, dada pela sua frequência/comprimento de onda, tem uma velocidade a que se desloca, a velocidade da luz em qualquer meio por onde passa, e desloca-se numa direção específica, determinada pelas condições em que foi criada , que então segue o caminho determinado pela curvatura do espaço-tempo.
Crédito da imagem: Karen Teramura, Instituto de Astronomia da Universidade do Havaí.
Mas como essa luz foi gerada em primeiro lugar? Como um fóton real se torna realmente? Uma maneira vem da interação direta de partículas (ou antipartículas) umas com as outras: há uma probabilidade finita de que cada interação que quaisquer duas partículas em interação produzam pelo menos um fóton quando interagem.
Crédito das imagens: Naohito Saito, via http://www.rarf.riken.go.jp/rarf/rhic/pub/saito/node5.html (L), HESSI da NASA, via http://hesperia.gsfc.nasa.gov/hessi/brochure.htm (R).
Mas outra forma – uma forma muito mais interessante (e relevante) – vem de algo que não tem uma boa analogia com as ondas clássicas: quando uma partícula carregada se move na presença de um campo magnético.
Sim, o campo magnético faz com que a partícula mude de direção: essa é a Lei da força de Lorentz . Mas quando você faz isso – quando você tem uma partícula carregada se movendo através de um campo magnético – ela também emite radiação na forma de fótons: radiação ciclotron em baixas energias/velocidades/campos, ou radiação síncrotron em condições mais relativísticas (ou em aceleração).
Esse tipo de radiação ocorre não apenas em condições experimentais aqui na Terra, mas no laboratório natural do Universo, como no jato da maior e mais massiva galáxia próxima, Messier 87 .
Crédito da imagem: NASA e The Hubble Heritage Team (STScI/AURA).
Então, finalmente, chegamos à gravidade. Enquanto a eletricidade tem dois tipos de carga – positiva e negativa – a gravitação tem apenas uma: massa, ou mais precisamente, energia. E enquanto campos elétricos e campos magnéticos podem afetar partículas carregadas, existe apenas um tipo de campo gravitacional: aquele causado pela curvatura do espaço.
No entanto, a mesma situação existe em nosso Universo para a gravidade e para o eletromagnetismo: temos partículas gravitacionalmente carregadas aquele mover-se através de campos gravitacionais .
Crédito da imagem: David Champion, Instituto Max Planck de Radioastronomia.
Embora a física tenha, a nível técnico, algumas pequenas variações nos detalhes, surge o mesmo fenômeno: a radiação é emitida. Neste caso, no entanto, não é radiação eletromagnética, mas sim radiação gravitacional! Ondulações que viajam na velocidade da luz através do tecido do próprio espaço-tempo, carregando energia à medida que avançam.
Este efeito é maximizado para massas que aceleram rapidamente em campos gravitacionais em mudança, como quando uma estrela de nêutrons se funde ou existe em uma órbita próxima e decadente com outro remanescente estelar degenerado.
Essas ondulações no espaço-tempo são como as ondas gravitacionais (ou ondas gravitacionais ou radiação gravitacional) se manifestam e causam distorções muito específicas tanto na magnitude quanto na direção de qualquer matéria interveniente e/ou radiação eletromagnética.
Crédito das imagens: usuário do Wikimedia Commons MÓVEL .
Em teoria, essas ondas gravitacionais podem ser detectadas diretamente por interferometria de linha de base longa, e há pesquisas em andamento, inclusive pela colaboração LIGO atualmente em execução e - se o financiamento milagrosamente acontecer - pela Antena Espacial de Interferômetro a Laser, ou LISA, que seria garantido detectar esse fenômeno, pois sondaria a faixa onde se espera que ocorra uma enorme frequência de eventos!
Crédito da imagem: LISA / NASA, recuperada de George Rieke.
Já temos evidências indiretas de que as ondas gravitacionais existem, porque vemos o decaimento previsto de órbitas pulsares binárias ao longo de muitos anos, correspondendo observacionalmente ao que a Relatividade Geral prevê. Por outro lado, a Relatividade Geral também prevê que o mecanismo pelo qual essas órbitas decaem é através da emissão de radiação gravitacional. Se pudéssemos detectar essa evidência diretamente, uma das últimas grandes previsões não confirmadas de talvez a maior teoria física de todas seria finalmente verificada.
Crédito da imagem: NASA (L), Instituto Max Planck de Radioastronomia / Michael Kramer, via http://www.mpg.de/7644757/W002_Physics-Astronomy_048-055.pdf .
Então, o que são ondas de gravidade? Eles são uma nova forma de radiação – gravitacional radiação – produzida por partículas massivas ou portadoras de energia que viajam através de um campo gravitacional. Quando essas partículas aceleram ou o campo gravitacional muda, essa radiação se torna mais intensa e, com o tempo, transporta energia na velocidade da luz, fazendo com que as órbitas decaiam e oferecendo algumas possibilidades tentadoras de detecção. Se investíssemos nisso adequadamente, poderíamos ser um campo totalmente novo da astronomia — astronomia de ondas gravitacionais — em qualquer ponto que escolhêssemos; a tecnologia já existe!
As ondas de gravidade são Além disso produzido, entre outras fontes, durante a inflação cósmica. Na verdade, os resultados acaba de ser lançado publicamente ontem à noite pela Colaboração Planck restringem muito o tipo de inflação que ocorreu a partir do não observação de sua assinatura primordial na polarização do fundo cósmico de microondas, quase descartando uma classe inteira de modelos inflacionários - modelos de inflação caótica - no processo.
Crédito da imagem: Colaboração Planck, via http://arxiv.org/abs/1502.01589 .
Então, obrigado por uma ótima pergunta, Adam, e espero que agora você entenda o que são as ondas de gravidade! Se você tem uma queima pergunta ou sugestão para um tópico que você deseja ver abordado no Ask Ethan, vá em frente e envie o seu aqui . O recurso da próxima semana pode ser tudo sobre você!
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