• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Podemos extrair energia das ondas gravitacionais?

Os espelhos revestidos e resfriados no experimento LIGO avançado, mostrado aqui, respondem a cada fóton que os atinge. A detecção de uma onda gravitacional depende da mudança de posição do espelho e da consequente mudança no comprimento do caminho do fóton que ele experimenta devido à passagem de uma onda gravitacional. (CALTECH/MIT/LIGO LAB)

Isso é necessário para detectores como LIGO e Virgo funcionarem?

Sempre que duas coisas no Universo interagem no mesmo local no espaço-tempo, uma coisa sempre permanece verdadeira sobre essa interação: ela conserva energia. Mas e se uma dessas coisas for uma entidade inerente ao próprio tecido do espaço-tempo, como uma ondulação, também conhecida como onda gravitacional? Quando uma onda gravitacional interage com matéria, energia ou um aparato complexo como um detector de ondas gravitacionais, a própria onda pode transferir energia para o que estiver interagindo? É um pensamento fascinante e inspirou o apoiador do Patreon, Paweł Zuzelski, a fazer a seguinte pergunta:

Quando detectamos uma onda eletromagnética (seja uma antena de rádio, um olho ou um sensor de câmera), extraímos energia da onda. O mesmo acontece com as ondas gravitacionais?

Deve ser assim. Aqui está o porquê.

Este gráfico, da energia do fóton em função da energia do elétron para um elétron ligado em um átomo de zinco, estabelece que abaixo de uma certa frequência (ou energia), nenhum fóton é expulso de um átomo de zinco. Isso independentemente da intensidade. No entanto, acima de um certo limite de energia (em comprimentos de onda suficientemente curtos), os fótons sempre liberam os elétrons. À medida que você continua a aumentar a energia do fóton, os elétrons são ejetados com velocidades crescentes. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS KLAUS-DIETER KELLER, CRIADO COM INKSCAPE)

Pode parecer contra-intuitivo, porque usamos o termo o tempo todo, mas o que realmente significa energia? Há muitas maneiras de defini-lo, mas a física está sempre interessada no significado quantitativo dos termos: o que está fazendo e quanto são as respostas que esperamos que uma boa definição revele. Para energia, alguns dos mais comuns são:

• energia é a quantidade de energia que entra ou sai de um sistema sustentado por um período de tempo,
• energia é a capacidade de realizar trabalho (exercer uma força que empurra um objeto a uma certa distância na direção da força), ou
• energia é o que é necessário para causar mudanças no movimento ou configuração de um sistema.

Ele vem em muitas formas diferentes – potencial (armazenado), cinético (de movimento), químico (de ligações eletrônicas), nuclear (liberado de núcleos atômicos), etc. – mas é universal a todas as formas de matéria e radiação.

As transições de elétrons no átomo de hidrogênio, juntamente com os comprimentos de onda dos fótons resultantes, mostram o efeito da energia de ligação e a relação entre o elétron e o próton na física quântica. A transição mais forte do hidrogênio é Lyman-alpha (n=2 para n=1), mas sua segunda mais forte é visível: Balmer-alpha (n=3 para n=2). (USUÁRIOS DO WIKIMEDIA COMMONS SZDORI E ORANGEDOG)

É relativamente simples considerar que a energia é transportada por ondas eletromagnéticas, pois essa é talvez a forma de radiação mais bem compreendida que conhecemos. As ondas eletromagnéticas, desde os raios gama através da luz visível até a parte de rádio do espectro, não apenas interagem com a matéria e transferem energia, mas o fazem na forma de pacotes individuais de energia: quanta, na forma de fótons.

Extraímos e medimos a energia de fótons individuais o tempo todo com tecnologia moderna. Foi Einstein quem primeiro fez o experimento crítico, mostrando que mesmo uma pequena quantidade de luz ultravioleta poderia expulsar elétrons de um metal condutor, mas que a luz de comprimento de onda mais longo, não importa quão intensa fosse, não expulsaria esses elétrons em todo. A luz era quantizada em pequenos pacotes de energia, e essa energia podia ser transferida para a matéria e convertida em outras formas de energia.

O efeito fotoelétrico detalha como os elétrons podem ser ionizados por fótons com base no comprimento de onda de fótons individuais, não na intensidade da luz ou energia total ou qualquer outra propriedade. Se um quantum de luz entrar com energia suficiente, ele pode interagir e ionizar um elétron, expulsando-o do material e levando a um sinal detectável. (WOLFMANKURD / WIKIMEDIA COMMONS)

Hoje, reconhecemos que a luz é tanto uma onda eletromagnética quanto uma série de partículas (fótons), e que em ambas as imagens ela carrega a mesma quantidade de energia. Ela nos ajuda a entender como os fenômenos cotidianos ocorrem dentro do contexto da energia.

• Quando a luz visível atinge sua retina e estimula seus bastonetes e cones, os elétrons nas moléculas em suas células passam para uma configuração diferente, resultando em certos nervos sendo estimulados e um sinal (visual) sendo enviado ao seu cérebro, que interpreta o que você vê .
• Quando uma onda de rádio passa por ou através de uma antena, os campos elétricos da onda fazem com que os elétrons se movam, transferindo energia para a antena e permitindo a criação de um sinal elétrico.
• Quando a luz entra em uma câmera digital, os fótons atingem vários pixels e estimulam os componentes eletrônicos internos, transferindo energia para eles, levando ao registro de um sinal, da câmera do seu telefone para a câmera do Telescópio Espacial Hubble.

CCDs de grande área são incrivelmente úteis para coletar e detectar luz e para maximizar cada fóton individual que chega. As interações entre fótons individuais e os elétrons na matriz é o que aciona um sinal eletrônico no detector. (GRANDE IMAGEM DE ÁREA PARA CALAR ALTO (LAICA) / J.W. FRIED)

Bem, se é assim que as ondas eletromagnéticas funcionam, então e as ondas gravitacionais? Existem algumas semelhanças entre os dois, pois ambos são gerados quando uma partícula carregada (eletricamente carregada ou massiva, ou seja, gravitacionalmente carregada) se move através de um campo variável (campo eletromagnético ou campo gravitacional, ou seja, espaço curvo). Os elétrons em um acelerador de partículas geram luz; buracos negros orbitando um ao outro geram ondas gravitacionais.

Mas também pode haver diferenças. As ondas eletromagnéticas exibem um comportamento inerentemente quântico, pois a energia nessas ondas é quantizada em fótons individuais que compõem essa luz. As ondas gravitacionais podem apresentar comportamento quântico, e essas ondas ainda podem ser quantizadas em partículas individuais (grávitons) que compõem essas ondas, mas não temos evidências para essa imagem e nenhuma maneira prática de testá-la.

As ondas gravitacionais se propagam em uma direção, expandindo e comprimindo alternadamente o espaço em direções mutuamente perpendiculares, definidas pela polarização da onda gravitacional. As próprias ondas gravitacionais, em uma teoria quântica da gravidade, deveriam ser feitas de quanta individuais do campo gravitacional: grávitons. Embora as ondas gravitacionais possam se espalhar uniformemente pelo espaço, a amplitude (que é de 1/r) é a quantidade chave para detectores, não a energia (que é de 1/r²). (M. PÖSSEL/EINSTEIN ONLINE)

Mas uma coisa que deve ser verdade – se a gravidade é inerentemente uma força quântica ou se a Relatividade Geral de Einstein é tão fundamental quanto possível – é que essas ondas gravitacionais devem transportar energia. Esta não é uma conclusão trivial, mas há três evidências que nos levaram até lá: um avanço que foi teórico, uma classe de medição indireta e um tipo de medição direta que fechou todas as lacunas restantes.

Lembre-se, embora tenham sido previstos em meados da década de 1910, ninguém sabia se as ondas gravitacionais eram fisicamente reais ou se eram apenas previsões matemáticas sem um análogo físico. Essas ondas eram reais e poderiam transferir energia em partículas reais e mensuráveis? Em 1957, a primeira conferência americana sobre Relatividade Geral, agora conhecido como GR1 , aconteceu. E Richard Feynman, um dos grandes pioneiros da teoria quântica de campos, surgiu com o que hoje é conhecido como o argumento de contas pegajosas .

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)

Imagine que você tem uma haste fina (ou duas hastes finas que são mutuamente perpendiculares) com duas contas em cada extremidade da haste. Uma conta é fixada à haste e não pode deslizar, mas a outra está livre para se mover em relação à haste. Se uma onda gravitacional passar perpendicularmente à orientação da haste, a distância entre as contas mudará à medida que o espaço se estica e comprime devido à onda gravitacional.

Mas agora vamos introduzir outra coisa: atrito. Realisticamente, dois objetos macroscópicos em contato físico um com o outro experimentarão colisões e interações - pelo menos entre suas nuvens de elétrons - o que significa que o sistema conta-vara aquecerá à medida que a conta se move ao longo da haste. Esse calor é uma forma de energia, e a energia deve vir de algum lugar, com o único culpado identificável sendo as próprias ondas gravitacionais. Não somente as ondas gravitacionais transportam energia , mas essa energia pode ser transferida para sistemas feitos de matéria normal e cotidiana.

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)

O próximo salto veio da observação de pulsares binários: duas estrelas de nêutrons que não apenas orbitam uma à outra, mas onde ambas emitem pulsos de rádio a cada rotação que podemos observar com sucesso aqui na Terra. Ao medir as propriedades desses pulsos ao longo do tempo, podemos reconstruir quais são as órbitas dessas estrelas de nêutrons e como essas órbitas mudam ao longo do tempo.

Notavelmente, descobrimos que as órbitas estavam decaindo, como se algo estivesse carregando sua energia orbital. Os cálculos da Relatividade Geral (linha sólida, abaixo) e as observações (pontos de dados, abaixo) se alinharam para confirmar as previsões quantitativas explícitas para a energia transportada pelas ondas gravitacionais. Não apenas essas ondas gravitacionais devem transportar energia, mas as previsões explícitas de quanta energia elas carregam de uma fonte foram validadas pelo primeiro, e agora por muitos sistemas binários em órbita.

Desde o primeiro sistema binário de estrelas de nêutrons já descoberto, sabíamos que a radiação gravitacional estava levando energia. Era apenas uma questão de tempo até que encontrássemos um sistema nos estágios finais de inspiração e fusão. (NASA (L), INSTITUTO MAX PLANCK DE RÁDIO ASTRONOMIA / MICHAEL KRAMER)

Mas ainda faltava verificar um passo: e a transferência de energia das ondas gravitacionais para a matéria? Esse seria o passo fundamental que precisaria ocorrer para que os detectores de ondas gravitacionais – como o LIGO da National Science Foundation – funcionassem. A um bilhão de anos-luz de distância, dois buracos negros de 36 e 29 massas solares se fundiram, convertendo cerca de três sóis de massa em energia pura.

Quando essas ondas chegaram à Terra, elas se espalharam de modo que apenas 36 milhões de J de energia impactaram todo o planeta: aproximadamente a mesma energia que Manhattan recebe de 0,7 segundo de sol. Os espelhos nos detectores do LIGO foram movidos por menos de um milésimo da largura de um próton, alterando os caminhos da luz e alterando a energia do fóton levemente. Menos de um microjoule foi depositado em cada detector. E, no entanto, isso foi suficiente para levar a uma detecção robusta, não apenas na primeira vez, mas por mais de 50 ocorrências independentes agora .

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)

A única maneira de detectar diretamente uma onda gravitacional - ou qualquer sinal - é se ela tiver um efeito físico no sistema que você configurou para medi-la. Mas todos os nossos sistemas de detecção são feitos de matéria, e causar uma mudança física nesse sistema equivale a mudar sua configuração: algo que requer uma entrada de energia externa. Independentemente do método envolvido, as detecções sempre requerem a deposição de energia.

Para que os detectores de ondas gravitacionais funcionassem, três coisas tinham que ser verdadeiras. As ondas gravitacionais tinham que transportar energia, essa energia precisava ser gerada em quantidades suficientes para afetar um detector no momento em que chegasse à Terra, e precisávamos construir um detector suficientemente inteligente para extrair essa energia e transformá-la em um sinal observável . Notavelmente, desde o primeiro indício de uma ideia até a detecção direta, levou apenas um século para a humanidade chegar lá.

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

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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