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O LIGO já descobriu evidências da gravidade quântica?

Dois buracos negros em fusão. Crédito da imagem: SXS, o projeto Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

A fusão de buracos negros é um dos eventos mais extremos do Universo. Poderia um horizonte de eventos modificado revelar a gravidade quântica?

A natureza fundamental do espaço e do tempo e a unificação do cosmos e do quantum estão certamente entre as grandes 'fronteiras abertas' da ciência. devemos ainda inscrever 'aqui há dragões'.
– Martin Rees

Quando Einstein escreveu pela primeira vez a teoria da relatividade geral em 1915, essa nova teoria da gravidade não apenas explicava fenômenos que a antiga de Newton não conseguia, mas também previa uma série de novos. Em campos gravitacionais fortes, os relógios correriam mais devagar, a luz mudaria sua frequência, as trajetórias das partículas se curvariam e massas aceleradas emitiriam um novo tipo de radiação: ondas gravitacionais. Embora muitas das previsões de Einstein tenham sido confirmadas e verificadas ao longo dos anos, levou até 2015 para que os primeiros sinais de ondas gravitacionais fossem detectados diretamente pela humanidade. Havia dois que tinham significado suficiente para serem anunciados como descobertas, enquanto um outro continua sendo um forte candidato. Mas talvez esses eventos – criados pela fusão de buracos negros – nos façam melhor do que Einstein: talvez eles já tenham nos dado nossos primeiros indícios de gravidade quântica. Em um novo artigo dos físicos teóricos Jahed Abedi, Hannah Dykaar e Niayesh Afshordi, eles reivindicam a primeira evidência de efeitos gravitacionais além da relatividade geral nos dados dessas fusões.

A razão pela qual é tão difícil ir além da relatividade geral é porque a escala em que os efeitos quânticos devem se tornar importantes acontece em escalas extremas. Não extremo como no LHC ou no centro do Sol, mas em energias muito além de qualquer coisa que o Universo tenha visto desde o Big Bang, ou em escalas de distância cerca de 10¹⁸ vezes menores que a largura de um próton. Embora os efeitos quânticos apareçam para as outras forças em escalas e energias muito mais acessíveis, parte do motivo pelo qual uma teoria da gravidade quântica tem sido tão elusiva é que não temos experimentos para nos guiar. As únicas esperanças que temos, realisticamente, são olhar em dois lugares:

1. Nos ecos da inflação cósmica, o estado de ultra-alta energia do espaço-tempo anterior ao Big Bang.
2. Em torno dos horizontes de eventos dos buracos negros durante eventos catastróficos, onde os efeitos quânticos serão mais fortes.

As ondas gravitacionais só podem ser geradas a partir da inflação se a gravidade for uma teoria inerentemente quântica. Crédito da imagem: Colaboração BICEP2.

Para o primeiro, há equipes procurando por sinais particulares de polarização do brilho remanescente do Big Bang. Se esse sinal aparecer nos dados com um padrão específico em uma variedade de escalas angulares, será uma verificação inequívoca da inflação, além da primeira evidência direta de que a gravidade é de natureza quântica. Enquanto muitas coisas no Universo produzem ondas gravitacionais, alguns desses processos são clássicos (como buracos negros inspiradores), enquanto outros são puramente quânticos. Os quânticos contam com o fato de que a gravitação, como as outras forças, deve exibir flutuações quânticas no espaço e no tempo, juntamente com a incerteza inerente que a física quântica traz consigo. Na inflação cósmica, essas flutuações se estendem por todo o Universo e podem ser impressas no brilho remanescente do Big Bang. Embora o relatório inicial de tal detecção há alguns anos, pelo BICEP2, tenha se mostrado falso, as perspectivas continuam atraentes.

Sinais de ondas gravitacionais e suas origens, incluindo quais detectores serão sensíveis a eles. Crédito da imagem: NASA Goddard Space Flight Center.

Mas há outra abordagem: procurar efeitos quânticos que aparecem junto com os clássicos nos sinais de ondas gravitacionais mais fortes que este Universo gera. Os anúncios do LIGO no início deste ano deram à comunidade científica um choque comemorativo, pois o primeiro e o segundo eventos de ondas gravitacionais da fusão de buracos negros foram detectados sem ambiguidade. Uma terceira provavelmente detecção também foi lançada, mas estava logo abaixo do limite de significância para descoberta. Embora o LIGO tenha recentemente disparado com maior sensibilidade, uma nova ideia nos dá algo importante para procurar: correções quânticas que aparecem nas fusões.

O sinal LIGO (linha azul) para ondas gravitacionais emitidas pela primeira fusão detectada pode ter correções quânticas (preto), o que poderia alterar o sinal total (amarelo) que aparece no detector. Crédito de imagem: Abedi, Dykaar e Afshordi, 2016, via https://arxiv.org/abs/1612.00266 .

De acordo com Einstein, o horizonte de eventos de um buraco negro deve ter propriedades específicas, determinadas por sua massa, carga e momento angular. Na maioria das ideias de como seria a gravidade quântica, esse horizonte de eventos não seria diferente. Alguns modelos, no entanto, preveem horizontes de eventos notavelmente diferentes, e são esses modelos de partida que oferecem um vislumbre de esperança para a gravidade quântica. Se virmos uma diferença do que a teoria de Einstein prevê, talvez possamos descobrir não apenas que a gravidade deve ser uma teoria quântica, mas quais propriedades a gravidade quântica realmente tem.

O sinal de onda gravitacional inspiral e de fusão extraído do evento em 26 de dezembro de 2015. Crédito da imagem: Figura 1 de B. P. Abbott et al. (LIGO Colaboração Científica e Colaboração Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 241103 — Publicado em 15 de junho de 2016.

Os modelos para o LIGO gerados por equipes que trabalham com relatividade numérica se encaixam extremamente bem nos eventos de fusão. Afinal, foi assim que eles conseguiram extrair o sinal de um ruído tão espetacular; eles sabiam exatamente o que estavam procurando e como encontrá-lo. Se houver um sinal secundário e subdominante, decorrente da gravidade quântica, uma abordagem semelhante deve ser capaz de descobri-lo. A chave - se estes são efeitos gravitacionais quânticos - é que eles devem ocorrer na escala de Planck: em energias de 10¹⁹ GeV ou escalas de distância de cerca de 10^-33 metros. Este é exatamente o tipo de sinal que Abedi, Dykaar e Afshordi decidiram procurar.

Enquanto a teoria de Einstein faz previsões explícitas para o horizonte de eventos de um buraco negro e o espaço-tempo do lado de fora, as correções quânticas podem alterar isso significativamente. Crédito da imagem: NASA.

Na relatividade geral clássica (de Einstein), existem alguns problemas que surgem dos buracos negros: que deveria haver um firewall no horizonte de eventos; essa informação sobre o que cai no buraco negro parece ser destruída; como você reconcilia um universo contendo buracos negros com um que tem uma constante cosmológica positiva diferente de zero. Algumas das resoluções gravitacionais quânticas propostas modificam o horizonte de eventos de um buraco negro. Quando dois buracos negros se fundem nesses cenários, as diferenças nos horizontes de eventos da teoria de Einstein devem levar a ecos visíveis no sinal da onda gravitacional em fusão. Eles serão dominados pela principal previsão einsteiniana, mas com dados bons o suficiente e algoritmos bons o suficiente, devemos ser capazes de provocar esse sinal também.

A representação do espaço-tempo da onda gravitacional ecoa de uma membrana/firewall no horizonte esticado, após um evento de fusão de buraco negro. Crédito de imagem: Abedi, Dykaar e Afshordi, 2016, via https://arxiv.org/abs/1612.00266 .

Em particular, deve haver uma escala de tempo de eco, definida apenas pelas massas dos buracos negros em fusão e as frequências em que eles estão se fundindo ou inspirando. Deve haver esses ecos periódicos à medida que os sinais dos dois horizontes de eventos interagem e deve exibir ecos posteriores que continuam por algum tempo após a conclusão da fusão.

Modelo original LIGO para GW150914, juntamente com seu modelo de melhor ajuste para os ecos. Crédito de imagem: Abedi, Dykaar e Afshordi, 2016, via https://arxiv.org/abs/1612.00266 .

Curiosamente, quando eles comparam com os dados de todas as três fusões, eles chegam a uma previsão do que deveriam ver: deveria exibir essas ondas extras em escalas de tempo relacionadas ao período de eco e ao período de fusão/inspiração. O sinal mais inequívoco e fácil de detectar, do GW150914, contém a maior informação e significância: mostra evidências para este sinal quase exatamente na frequência prevista, com apenas 0,54% de deslocamento. (E eles pesquisaram em um intervalo com um deslocamento de ± 5%.) Se você adicionar os sinais para as outras duas fusões de buracos negros usando esses mesmos parâmetros, a significância estatística aumenta de 95% (cerca de uma chance em 20 de flutuações aleatórias) para 99,6% (cerca de uma chance em 270).

O sinal e seu significado de GW150914 (vermelho) e de todas as três ondas combinadas (preto). Crédito de imagem: Abedi, Dykaar e Afshordi, 2016, via https://arxiv.org/abs/1612.00266 .

Por um lado, isso é incrível. Há muito poucas perspectivas de detectar um sinal da gravidade quântica devido ao fato de não termos uma teoria funcional da gravidade quântica; tudo o que temos são modelos e aproximações. No entanto, algumas classes de modelos fazem algumas previsões reais e testáveis, embora com incertezas, e uma dessas previsões é que a fusão de buracos negros, em alguns modelos, deve emitir ecos adicionais de frequências e amplitudes específicas.

Somente sob a Relatividade Geral, as ondas gravitacionais devem criar padrões e sinais particulares. Se alguns modelos de gravidade quântica estiverem corretos, deve haver um sinal adicional sobreposto ao principal, einsteiniano. Crédito da imagem: NASA/Ames Research Center/C. Henze.

Mas, por outro lado, há razões para duvidar que esse efeito seja real.

• Apenas o primeiro sinal de onda gravitacional, GW150914, apresenta significância suficiente para que este sinal adicional se destaque no fundo por conta própria. Os outros dois são indetectáveis ​​sem assumir os resultados anteriores de GW150914.
• Há um deslocamento de sinal adicional de -2,8% da frequência prevista com quase 95% de confiança quando todos os três sinais de onda gravitacional são incluídos e mais três com mais de 80% de confiança.
• E talvez o mais condenável, sabemos há meses que existem sinais adicionais, provavelmente de fontes externas, sobrepostos aos dados do LIGO com um nível de confiança de 3,2 sigma (99,9%).

Em outras palavras, pode haver ou não um sinal real lá, e pode não ter nada a ver com a gravidade quântica, mesmo que seja real.

Uma ilustração simplificada do sistema de interferômetro a laser do LIGO. Crédito da imagem: colaboração LIGO.

Mas este novo artigo é notável pelo fato de fazer uma previsão explícita de como será uma assinatura gravitacional quântica nos dados do LIGO. Ele aproveita os dados reais do LIGO para mostrar que já existe a dica de um sinal e informa explicitamente à equipe do LIGO quais assinaturas eles devem procurar em eventos futuros para ver se esse modelo de gravidade quântica está correto. Como o LIGO está operacional novamente com uma sensibilidade ainda maior do que durante sua execução anterior, temos todos os motivos para esperar que mais fusões de buracos negros estejam chegando. O dinheiro inteligente ainda está neste sinal de que não é real (ou se for, é devido a uma fonte externa e não à gravidade quântica), mas a ciência nunca avançou sem procurar uma possibilidade fora do convencional. Desta vez, a tecnologia já está em vigor, e os próximos 24 meses devem ser críticos para revelar se a gravidade quântica se mostra na física da fusão de buracos negros!

Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !

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