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Pergunte a Ethan: As ondas gravitacionais podem causar danos na Terra?

Ilustração de dois buracos negros se fundindo, de massa comparável ao que o LIGO viu pela primeira vez. Nos centros de algumas galáxias, podem existir buracos negros binários supermassivos, criando um sinal muito mais forte do que esta ilustração mostra, mas com uma frequência à qual o LIGO não é sensível. Se os buracos negros estivessem próximos o suficiente, eles poderiam, em princípio, transmitir energia suficiente à Terra para causar efeitos perceptíveis. (SXS, O PROJETO SIMULADOR DE ESPAÇOS EXTREMOS (SXS) (HTTP://WWW.BLACK-HOLES.ORG))

As fusões de buracos negros são alguns dos eventos mais energéticos do Universo. As ondas gravitacionais que eles produzem podem nos prejudicar?

O Universo não é um lugar estático e estável. De uma vasta coleção de átomos simples, as nuvens de gás colapsam para formar estrelas e planetas, que então passam por seus próprios ciclos de vida individuais. As estrelas mais massivas morrerão em eventos cataclísmicos, como supernovas, produzindo remanescentes estelares, como estrelas de nêutrons e buracos negros. Muitas dessas estrelas de nêutrons e buracos negros se inspirarão e se fundirão, liberando uma tremenda quantidade de energia na forma de ondas gravitacionais. A luz e as partículas produzidas dessa forma são capazes de causar danos aqui na Terra, mas e as próprias ondas gravitacionais? Essa é a pergunta de Brian Brettschneider, quando ele pergunta:

As ondas gravitacionais detectadas na Terra pelo LIGO viajaram grandes distâncias e eram bastante fracas por unidade de volume de espaço no momento em que chegaram. Se eles se originassem muito mais perto da Terra, seriam mais energéticos do nosso ponto de vista. Qual seria o efeito das ondas gravitacionais energéticas criadas localmente em objetos próximos. Estou pensando em buracos negros binários de ~30 massas solares se fundindo. As ondas gravitacionais seriam perceptíveis? Eles podem causar danos?

É uma ótima pergunta que bloqueou até mesmo algumas das maiores mentes da história.

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, mas todo o espaço 3D se curva 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)

A Relatividade Geral, nossa atual teoria da gravidade, foi apresentada pela primeira vez por Albert Einstein em 1915. No ano seguinte, 1916, o próprio Einstein derivou uma propriedade inesperada de sua teoria: ela permitia a propagação de um novo tipo de radiação que era puramente gravitacional. na natureza. Essa radiação, hoje conhecida como ondas gravitacionais, tinha algumas propriedades fáceis de extrair: não tinham massa e viajavam à velocidade da gravidade, que deveria ser igual à velocidade da luz.

Mas o que não era aparente, pelo menos não imediatamente, era se essas ondas eram fenômenos reais, físicos, portadores de energia, ou se eram um artefato matemático puro que não tinha nenhum significado físico. Em 1936, Einstein e Nathan Rosen (da Ponte Einstein-Rosen e paradoxo EPR fama) escreveu um artigo chamado, As ondas gravitacionais existem? No artigo, submetido à revista Revisão Física , eles argumentaram que não, eles não.

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)

Eles argumentaram que essas ondas gravitacionais eram matemáticas e não existiam fisicamente, da mesma forma que o 0 que inferimos estar na ponta de uma régua não existe fisicamente. Felizmente, o artigo foi rejeitado por recomendação do parecerista anônimo, que acabou sendo o físico Howard Robertson , que os fãs de cosmologia podem reconhecer como o R no Métrica Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker .

Robertson, também baseado em Princeton, sub-repticiamente apontou para Einstein a maneira correta de lidar com o erro que ele havia cometido, o que inverteu a conclusão. As ondas gravitacionais que apareceram na versão reenviada, que foi aceito em 1937 com um título diferente em um jornal diferente , previu ondas fisicamente reais. Assim como o eletromagnetismo tinha a luz, uma forma de radiação sem massa que transportava energia real, a gravitação tem um fenômeno completamente análogo: as ondas gravitacionais.

Quando você tem duas fontes gravitacionais (ou seja, massas) inspirando e eventualmente se fundindo, esse movimento causa a emissão de ondas gravitacionais. Embora possa não ser intuitivo, um detector de ondas gravitacionais será sensível a essas ondas em função de 1/r, não como 1/r², e verá essas ondas em todas as direções, independentemente de estarem de frente ou na borda, ou em qualquer lugar no meio. (NASA, ESA, E A. FEILD (STSCI))

Se essas ondas existem, são fisicamente reais e também carregam energia, a questão importante é se elas podem transferir essa energia para a matéria e, em caso afirmativo, por qual processo. Em 1957, a primeira conferência americana sobre Relatividade Geral, agora conhecido como GR1 , ocorreu em Chapel Hill, Carolina do Norte. Estavam presentes algumas figuras titânicas do mundo da física, incluindo Bryce DeWitt, John Archibald Wheeler, Joseph Weber, Hermann Bondi, Cécile DeWitt-Morette e Richard Feynman.

Embora Bondi popularizaria rapidamente um determinado argumento que surgiu da conferência, foi Feynman quem apresentou a linha de raciocínio que agora chamamos de argumento de contas pegajosas . Se você imaginar que tem uma haste fina com duas contas, onde uma é fixa, mas pode deslizar, a distância entre as contas mudará se uma onda gravitacional passar por ela perpendicularmente à direção da haste.

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)

Desde que a conta e a haste não tenham atrito, não há calor produzido, e o estado final do sistema que consiste na haste e nas contas não é diferente de antes da passagem da onda gravitacional. Mas se houver atrito entre a haste e a conta que está livre para deslizar ao longo dela, esse movimento gera atrito, que gera calor, que é uma forma de energia. Não só o argumento de Feynman demonstrar que as ondas gravitacionais transportam energia , mas mostra como extrair essa energia das ondas e colocá-la em um sistema físico real.

Quando uma onda gravitacional passa pela Terra, os mesmos efeitos que ela teve no sistema talão-vara estariam em jogo. À medida que a onda passasse pela Terra, faria com que as direções perpendiculares à propagação da onda se alongassem e comprimam, alternadamente e de maneira oscilatória, em ângulos de 90 graus entre si.

Qualquer coisa que estivesse na Terra que fosse afetada energeticamente por esse movimento do espaço que ocupava absorveria essa quantidade relevante de energia das próprias ondas e transformaria essa energia em energia física real que então estaria presente em nosso mundo.

Se considerarmos a primeira onda gravitacional já vista pelo LIGO – observada em 14 de setembro de 2015, mas anunciada quase exatamente 4 anos atrás hoje (em 11 de fevereiro de 2016) — consistia em dois buracos negros de 36 e 29 massas solares, respectivamente, que se fundiram para produzir um buraco negro de 62 massas solares. Se você fizer as contas, notará que 36 + 29 não é igual a 62. Para equilibrar essa equação, as três massas solares restantes, correspondentes a aproximadamente 10% da massa do buraco negro menor, precisavam ser convertidas em energia pura, via Einstein E = mc² . Essa energia viaja através do espaço na forma de ondas gravitacionais.

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)

Após uma jornada de cerca de 1,3 bilhão de anos-luz, o sinal desses buracos negros em fusão chegou à Terra, onde passaram pelo nosso planeta. Uma fração minúscula dessa energia foi depositada nos detectores gêmeos LIGO em Hanford, WA, e Livingston, LA, fazendo com que os braços de alavanca que abrigam os espelhos e as cavidades do laser aumentassem e diminuíssem alternadamente em comprimento. Essa pequena quantidade de energia, extraída por um aparelho que os humanos construíram, foi suficiente para detectar nossas primeiras ondas gravitacionais.

Há uma enorme quantidade de energia emitida quando dois buracos negros de massas comparáveis ​​a estes se fundem; convertendo três massas solares de material em energia pura em uma escala de tempo de apenas 200 milissegundos é mais energia do que todas as estrelas do Universo emitem, combinadas, durante o mesmo período de tempo. Ao todo, aquela primeira onda gravitacional continha 5,3 × 10⁴⁷ J de energia, com um pico de emissão, nos milissegundos finais, de 3,6 × 10⁴⁹ W.

A inspiração e fusão do primeiro par de buracos negros já observados diretamente. O sinal total, juntamente com o ruído (topo), combina claramente com o modelo de onda gravitacional da fusão e inspiração de buracos negros de uma massa específica (meio). Observe como a força do sinal atinge um máximo nas últimas órbitas antes do momento exato da fusão. (B. P. ABBOTT ET AL. (COLABORAÇÃO LIGO CIENTÍFICA E COLABORAÇÃO VIRGEM))

Mas a mais de um bilhão de anos-luz de distância, vimos apenas uma fração minúscula dessa energia. Mesmo se considerarmos toda a energia recebida por todo o planeta Terra a partir dessa onda gravitacional, ela chega a apenas 36 bilhões de J, o mesmo que a quantidade de energia liberada por:

• queimando seis barris (cerca de 1000 L) de petróleo bruto,
• luz do sol brilhando na ilha de Manhattan por uma duração de 0,7 segundos,
• 10.000 kWh de eletricidade, o consumo médio anual de eletricidade de uma família americana .

A energia emitida por uma fonte no espaço sempre se espalha como a superfície de uma esfera, o que significa que se você reduzir pela metade a distância entre você e esses buracos negros em fusão, a energia que você receberia quadruplicaria.

A relação de distância de brilho e como o fluxo de uma fonte de luz cai como um ao quadrado da distância. As ondas gravitacionais emitidas de um ponto se espalham da mesma maneira em termos de energia, mas sua amplitude diminui apenas linearmente com a distância, e não com a distância ao quadrado, como a energia. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Se, em vez de 1,3 bilhão de anos-luz, esses buracos negros se fundissem a apenas 1 ano-luz de distância, a força dessas ondas gravitacionais que atingem a Terra equivaleria a cerca de 70 octilhões (7 × 10²⁸) joules de energia: tanta energia quanto o Sol produz a cada três minutos.

Mas há uma maneira importante pela qual as ondas gravitacionais e a radiação eletromagnética (como a luz solar) diferem. A luz é facilmente absorvida pela matéria normal e transmite energia a ela com base nas interações de seus quanta (fótons) com os quanta de que somos feitos (prótons, nêutrons e elétrons). Mas as ondas gravitacionais passam principalmente pela matéria normal. Sim, eles fazem com que ela se expanda e contraia alternadamente em direções mutuamente perpendiculares, mas a onda passa em grande parte pela Terra sem ser afetada. Apenas uma pequena quantidade de energia é depositada, e há uma razão sutil para isso.

Ondulações no espaço-tempo são o que são as ondas gravitacionais, e elas viajam pelo espaço na velocidade da luz em todas as direções. Embora a energia de uma onda gravitacional se espalhe como uma esfera, da mesma forma que a energia eletromagnética se espalha, a amplitude de uma onda gravitacional só cai na proporção direta da distância. (OBSERVATÓRIO GRAVITACIONAL EUROPEU, LIONEL BRET/EUROLIOS)

Quando uma onda gravitacional é emitida, sua energia se espalha proporcionalmente ao quadrado da distância. Mas a amplitude de uma onda gravitacional – o que determina a quantidade de matéria que se expandirá e se contrairá – apenas diminui linearmente com a distância. Quando a primeira fusão buraco negro-buraco negro que vimos as ondas gravitacionais passaram pela Terra, nosso planeta se contraiu e se expandiu em cerca de uma dúzia de prótons, todos alinhados.

Se esses mesmos buracos negros tivessem se fundido a uma distância de 1 ano-luz, a Terra teria se esticado e comprimido em cerca de 20 mícrons. Se eles tivessem se fundido à mesma distância que a Terra está do Sol, o planeta inteiro teria se esticado e comprimido em cerca de 1 metro (3 pés). Para comparação, é aproximadamente a mesma quantidade de alongamento e compressão que acontece todos os dias devido às forças de maré criadas pela Lua. A maior diferença é que isso aconteceria muito mais rápido: com alongamento e compactação na escala de milissegundos, em vez de ~ 12 horas.

A Lua exerce uma força de maré sobre a Terra, que não apenas causa nossas marés, mas também causa a frenagem da rotação da Terra e um subsequente prolongamento do dia. Para que uma onda gravitacional tenha a mesma amplitude no planeta que as forças de maré da Lua, uma fusão buraco negro-buraco negro precisaria ocorrer aproximadamente à mesma distância que o Sol está da Terra. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO WIKIKLAAS E E. SIEGEL)

Existem algumas maneiras pelas quais uma onda gravitacional de amplitude grande o suficiente pode transmitir energia significativamente à Terra. Cristais embalados em treliças intrincadas aqueceriam por todo o interior da Terra, potencialmente rachando ou quebrando se a onda gravitacional for forte o suficiente. Terremotos se espalhariam por todo o nosso planeta, em cascata e sobrepostos, causando danos mundiais em nossa superfície. Os gêiseres entrariam em erupção espetacular e irregular, e é possível que erupções vulcânicas fossem desencadeadas. Até os oceanos produziriam tsunamis globais, afetando desproporcionalmente as áreas costeiras.

Mas uma fusão buraco negro-buraco negro precisaria ocorrer dentro do nosso Sistema Solar para que isso acontecesse. Mesmo da distância da estrela mais próxima, as ondas gravitacionais passariam por nós quase completamente despercebidas. Embora essas ondulações no espaço-tempo carreguem mais energia do que qualquer outro evento cataclísmico, as interações são tão fracas que mal nos afetam. Talvez o fato mais notável de todos seja que realmente aprendemos como detectá-los com sucesso.

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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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