• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: As ondas gravitacionais podem passar por buracos negros?

Quando uma onda gravitacional passa por um local no espaço, ela causa uma expansão e uma compressão em tempos alternados em direções alternadas, fazendo com que os comprimentos dos braços do laser mudem em orientações mutuamente perpendiculares. Explorar essa mudança física é como desenvolvemos detectores de ondas gravitacionais bem-sucedidos, como LIGO e Virgo. (ESA-C. CARREAU)

E de qualquer forma, a energia ou a informação são conservadas?

Quando duas coisas no Universo que sempre ocorrem se encontram, como você sabe qual delas vencerá? As ondas gravitacionais, por exemplo, sempre passam por tudo o que encontram: espaço vazio, matéria escura, nuvens de gás, plasma, poeira, planetas, estrelas e até mesmo remanescentes estelares densos como anãs brancas e estrelas de nêutrons. Eles carregam energia, que podem depositar em objetos que afetam, deformando e distorcendo o espaço (junto com tudo nele) à medida que passam. Nada parece parar as ondas gravitacionais, com as únicas alterações que vemos provenientes dos efeitos do espaço-tempo distorcido devido à presença de massas e do Universo em expansão.

Mas, do outro lado da moeda, temos os buracos negros, que têm um horizonte de eventos: uma região de dentro da qual nada pode escapar. Então, quando o objeto imóvel encontra a força irresistível, quem ganha? É isso que Rhys Taylor quer saber, perguntando:

Há muito na internet (incluindo suas próprias peças) sobre como as ondas gravitacionais realmente não escapam do horizonte de eventos, mas isso parece ser sempre sobre ondas gravitacionais emitidas pelo próprio buraco negro: por exemplo, durante uma fusão… o que acontece com um onda gravitacional produzida por algum evento externo distante?

Será que apenas passaria pelo próprio buraco negro? Ou seria de alguma forma absorvido? É uma questão fascinante para explorar.

Uma ilustração do espaço-tempo fortemente curvo, fora do horizonte de eventos de um buraco negro. À medida que você se aproxima cada vez mais da localização da massa, o espaço se torna mais curvado, levando a um local de dentro do qual nem a luz pode escapar: o horizonte de eventos. De longe do buraco negro, a curvatura espacial é indistinguível daquela induzida por um objeto menos denso de massa equivalente, mesmo sem horizonte de eventos. (USUÁRIO DO PIXABAY JOHNSONMARTIN)

Vamos começar com os buracos negros: objetos com os quais não se deve brincar no Universo. Quando você está longe do horizonte de eventos de um buraco negro, ele parece se comportar como qualquer outra massa comum no Universo. Da localização da Terra, por exemplo, os efeitos gravitacionais que experimentamos do nosso Sol são indistinguíveis daqueles que seriam gerados por:

• uma anã branca,
• uma estrela de nêutrons,
• ou um buraco negro,
• da mesma massa exata.

Ainda experimentaríamos a mesma órbita, com a mesma velocidade, o mesmo período e o mesmo padrão elíptico (e até mesmo o mesmo nível de precessão relativística) que experimentamos do nosso Sol. As únicas diferenças que seriam perceptíveis apareceriam quando olhássemos na vizinhança do próprio Sol (ou o que o substituiu). A curvatura da luz estelar de fundo, juntamente com todas as outras formas de matéria e radiação, é intensificada à medida que você se aproxima de um objeto compacto e massivo: regiões que estão atualmente obscurecidas pelo disco do Sol. Além da distorção do espaço do mais interno ~ 1 grau mais próximo do centro do Sol, onde a curvatura do espaço é mais severa, não há outras diferenças detectáveis.

Uma visão animada de como o espaço-tempo responde à medida que uma massa se move através dele ajuda a mostrar exatamente como, qualitativamente, não é apenas uma folha de tecido. Em vez disso, todo o próprio espaço 3D fica curvado pela presença e propriedades da matéria e energia dentro do Universo. Múltiplas massas em órbita umas das outras causarão a emissão de ondas gravitacionais. (LUCASVB)

Mas essa região interna do espaço é tremendamente importante quando consideramos o impacto que ela tem na absorção de vários tipos de matéria e radiação. Por exemplo:

• o Sol, sendo um objeto opaco, absorveria tudo com que interage, como prótons, nêutrons, elétrons e fótons, mas seria transparente para partículas como neutrinos e antineutrinos,
• anãs brancas, sendo opacas, mas muito menores que o Sol, teriam uma área de seção transversal muito menor (talvez apenas ~0,01% da do Sol), mas ainda seriam opacas para prótons, nêutrons, elétrons e fótons, e devido a sua densidade começaria a absorver uma pequena fração dos neutrinos que a atingem,
• estrelas de nêutrons, ainda menores e mais densas que as anãs brancas, têm uma área muito menor sobre a qual absorvem prótons, nêutrons, elétrons e fótons, mas absorvem ~ 100% dos que a atingem, juntamente com até ~ 50% de os neutrinos (e antineutrinos) que passam pelo seu diâmetro,
• e os buracos negros absorvem absolutamente 100% de tudo o que sabemos que toca ou atravessa seu horizonte de eventos.

De um buraco negro, se você é uma entidade portadora de energia, não deve haver escapatória.

Sombra (preto) e horizontes e ergosferas (branco) de um buraco negro em rotação. A quantidade de a, mostrada variando na imagem, tem a ver com a relação do momento angular do buraco negro com sua massa. Observe que a sombra vista pelo Event Horizon Telescope do buraco negro é muito maior do que o horizonte de eventos ou a ergosfera do próprio buraco negro, mas é proporcional a ambos. (YUKTEREZ (SIMON TYRAN, VIENA) / WIKIMEDIA COMMONS)

Mas o que tudo isso significa para as ondas gravitacionais? Ao contrário de qualquer outro quantum de matéria ou radiação, as ondas gravitacionais não são tipicamente consideradas como partículas que se propagam através do espaço-tempo, mas sim como uma forma de radiação que é em si uma ondulação no tecido do espaço-tempo. Quando uma onda gravitacional passa por uma região do espaço que contém matéria ou energia, tudo nessa região também experimenta as mesmas distorções - as mesmas compressões e rarefações - que o espaço que está ocupando experimenta.

O fator importante que temos que considerar, porém, é o que acontece com a matéria que existe no espaço por onde passa uma onda gravitacional? Sim, à medida que as ondas passam por nós, elas encurtam e alongam as distâncias entre cada quantum de matéria que existe. Mas, essas ondas podem depositar energia na matéria com a qual interagem? Acredite ou não, esse foi o assunto principal de uma intensa conferência em 1957 apelidada GR1: a primeira conferência americana sobre Relatividade Geral .

O argumento de Feynman era que as ondas gravitacionais moveriam massas ao longo de uma haste, assim como as ondas eletromagnéticas moveriam cargas ao longo de uma antena. Esse movimento causaria aquecimento devido ao atrito, demonstrando que as ondas gravitacionais carregam energia. O princípio do argumento sticky-bead mais tarde formaria a base do design do LIGO. (P. HALPERN)

O argumento que acabou decidindo a questão foi apresentado por Richard Feynman, e hoje é conhecido como o argumento de contas pegajosas . Imagine, como na imagem acima, que você tem duas hastes finas e perpendiculares, cada uma com contas na ponta. Em cada haste, uma conta é fixada: está presa à haste e não pode se mover. Mas a outra conta está livre para deslizar; se uma onda gravitacional passar pela haste perpendicularmente à direção da haste, a distância entre as contas agora mudará.

Se a conta e a haste são sem atrito, não há calor produzido e nenhuma energia retirada das ondas gravitacionais; esse movimento é gratuito. Mas assim que você introduz o atrito, o movimento da conta contra a haste faz com que os átomos/moléculas/elétrons se esfreguem, produzindo calor através do atrito e, assim, extraindo energia das ondas gravitacionais. O argumento de Feynman não se limita a Demonstrar que as ondas gravitacionais transportam energia , mas mostra como extrair essa energia das ondas e colocá-la em um sistema físico real.

Quando os dois braços têm exatamente o mesmo comprimento e não há onda gravitacional passando, o sinal é nulo e o padrão de interferência é constante. À medida que os comprimentos dos braços mudam, o sinal é real e oscilatório, e o padrão de interferência muda com o tempo de maneira previsível. (LUGAR ESPACIAL DA NASA)

Este é precisamente o princípio em que os detectores de ondas gravitacionais modernos se baseiam para reconstruir os sinais de ondas gravitacionais que passam por seus enormes braços de laser perpendiculares. Quando essas ondas gravitacionais passam pelo nosso planeta, tudo o que está em nosso planeta absorve a quantidade correspondentemente relevante de energia das ondas devido às mudanças experimentadas nas posições e interações das partículas que temos. No caso do LIGO, acima, isso nos levou não apenas a detectar ondas gravitacionais, mas a medir suas propriedades e inferir a quantidade total de energia criada nos primeiros eventos que as originaram.

Observacionalmente, não há muita evidência direta para as propriedades das ondas gravitacionais, no entanto. Podemos olhar para as órbitas de pulsares binários, por exemplo, e concluir quanta energia está sendo irradiada na forma de ondas gravitacionais, e obter uma previsão que combina extremamente bem com as mudanças orbitais observadas desse sistema de pulsar binário.

Massas inspiradoras, como em sistemas pulsares binários, exibem decaimento orbital consistente com a emissão de radiação gravitacional na Relatividade Geral. A mudança na curvatura do espaço-tempo deve corresponder à radiação transportada pelas ondas gravitacionais. (NASA (L), INSTITUTO MAX PLANCK DE RÁDIO ASTRONOMIA / MICHAEL KRAMER)

Também temos cerca de ~60 observações totais da fusão de objetos compactos do LIGO e do Virgo, incluindo um evento multi-mensageiro: onde as ondas gravitacionais e a radiação eletromagnética foram detectadas em curta sucessão uma da outra, emanadas da mesma fonte. Embora seja apenas uma em 60 – e provavelmente é importante notar que a única outra fusão estrela de nêutrons-estrela de nêutrons que vimos não teve uma contraparte eletromagnética observada – ela nos ensinou algumas informações incrivelmente importantes.

Aprendemos que:

• ondas gravitacionais e ondas eletromagnéticas viajam na mesma velocidade, a velocidade da luz, dentro de 1 parte em 10¹⁵,
• que as ondas eletromagnéticas são retardadas por sua passagem pela matéria, enquanto as ondas gravitacionais não são,
• que tanto as ondas eletromagnéticas quanto as gravitacionais têm seu comprimento de onda esticado pela expansão do Universo,
• e que as lentes gravitacionais e o redshift gravitacional afetam os fótons e as ondas gravitacionais da mesma maneira exata.

Em outras palavras, quando as ondas gravitacionais viajam pelo Universo, elas experimentam os mesmos efeitos que os fótons devido à Relatividade Geral.

Esta ilustração mostra como os fótons são dobrados em torno de um buraco negro por sua gravidade. O tamanho da sombra de um buraco negro é diferente do tamanho do horizonte de eventos, ambos diferentes do tamanho da singularidade central, que são diferentes ainda do caminho traçado por partículas em órbita estável ao redor do buraco negro . O tamanho neste contexto tem muitas definições, mas a gravidade dos buracos negros afeta os fótons e as ondas gravitacionais de forma idêntica. (NICOLLE R. FULLER/NSF)

Então, agora, vamos juntar algumas peças. As ondas gravitacionais carregam energia e se prevê que se comportem – no contexto da Relatividade Geral – da mesma maneira que os fótons se comportam de várias maneiras. Ambos:

• experimentar redshifts/blueshifts relativísticos dependentes da força do campo gravitacional, da curvatura do espaço e dos movimentos relativos da fonte e do observador,
• têm sua direção de propagação desviada pela presença de objetos massivos,
• experimentar efeitos de lente gravitacional idênticos,
• transportar energia e experimentar uma mudança nessa energia devido à expansão do Universo,
• e podem depositar energia (ou não) em objetos pelos quais passam/para dentro, dependendo da força/acoplamento da interação.

As maiores diferenças, por outro lado, são apenas duas. Uma é que essas ondas têm uma qualidade de tensor em vez de simplesmente uma qualidade de vetor; eles são um tipo fundamentalmente diferente de radiação. E a outra é que a contraparte quântica da radiação eletromagnética, o fóton (spin=1), é conhecida por existir e teve suas propriedades medidas. A contrapartida quântica da radiação gravitacional, o (spin=2) gráviton, é apenas teorizada; nunca foi medido ou detectado diretamente.

Um buraco negro não é apenas uma massa sobreposta a um fundo isolado, mas exibirá efeitos gravitacionais que esticam, ampliam e distorcem a luz de fundo devido às lentes gravitacionais. Não é apenas a luz de fundo, mas também as ondas gravitacionais. Se algo cruzar o horizonte de eventos, será simplesmente adicionado ao próprio buraco negro. (UTE KRAUS, GRUPO DE EDUCAÇÃO FÍSICA KRAUS, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; AXEL MELLINGER (FUNDO))

No entanto, independentemente dessas diferenças, o fato de as ondas gravitacionais seguirem a geodésica nula do espaço curvo nos dá uma resposta inequívoca à pergunta original: quando uma onda gravitacional externa se propaga em uma região do espaço onde há um horizonte de eventos, o que acontece com essas ondas?

A resposta é direta: eles se propagam da mesma maneira que qualquer quanta sem massa viajaria, seguindo o caminho traçado pelo espaço curvo pelo qual se propagam. Se esse caminho o levar para perto do horizonte de eventos de um buraco negro, você experimentará todos os fenômenos relativísticos normais (desvio para o vermelho/desvio para o azul, dilatação do tempo/contração do comprimento, arrastamento do quadro etc.), mas ainda poderá para escapar desde que você não cruze o horizonte de eventos.

Se você cruzá-lo, no entanto, só há uma opção: você cai inexoravelmente em direção à singularidade central e, ao cruzar o limiar do horizonte de eventos, sua energia e seu momento angular - ambos os quais as ondas gravitacionais devem possuir em relação à buraco negro — seja adicionado ao próprio buraco negro. Em outras palavras, os buracos negros crescem ao devorar tudo o que encontram, e as ondas gravitacionais ajudam isso a ocorrer.

Nas proximidades de um buraco negro, o espaço flui como uma esteira rolante ou uma cachoeira, dependendo de como você deseja visualizá-lo. No horizonte de eventos, mesmo se você corresse (ou nadasse) na velocidade da luz, não haveria como superar o fluxo do espaço-tempo, que o arrasta para a singularidade no centro. Fora do horizonte de eventos, porém, outras forças (como o eletromagnetismo) podem frequentemente superar a atração da gravidade, fazendo com que até mesmo a matéria em queda escape. (ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSIDADE DO COLORADO)

Apesar do fato de que as ondas gravitacionais são onipresentes e são geradas em toda a galáxia e no Universo, a realidade é que a área da seção transversal do horizonte de eventos de um buraco negro é tão minúscula, mesmo para o maior de todos os buracos negros, que a quantidade de energia adicionada da absorção de ondas gravitacionais é completamente desprezível. A queda de matéria normal, matéria escura, neutrinos e até mesmo radiação regular (eletromagnética) supera amplamente o ganho de energia da radiação gravitacional recebida. Quando tudo estiver dito e feito, simplesmente não há o suficiente no Universo para fazer uma mudança substancial na quantidade total de massa/energia em um buraco negro.

Mas acontece. As ondulações das ondas gravitacionais - assim como qualquer outra coisa que cai em um buraco negro - devem ser impressas na superfície do buraco negro, conservando informações, enquanto a energia e o momento angular são absorvidos pelo buraco negro, conservando essas quantidades também . Toda vez que uma dessas ondulações no espaço-tempo passa por um buraco negro, uma pequena fração de sua energia é absorvida. É minúsculo, porque as ondas gravitacionais se espalham em uma esfera da fonte e apenas um pequeno disco proporcional à área do horizonte de eventos atua para absorvê-lo, mas qualquer efeito diferente de zero ainda conta. Que chegue o dia em que sejamos realmente experientes o suficiente para medi-lo!

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

Compartilhar: