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Como as ondas gravitacionais podem acabar provando que Einstein está errado

Dois buracos negros de massa estelar, se se fundirem nas proximidades de um buraco negro supermassivo, podem ter seu sinal de onda gravitacional afetado pelo espaço fortemente curvo ao seu redor. Se a Relatividade Geral de Einstein não for a história completa, ondas gravitacionais de diferentes polarizações ou diferentes frequências podem sofrer atrasos de tempo diferentes, apresentando um sinal único para nossos detectores. (R. HURT (IPAC)/CALTECH)

Einstein passou em todos os testes até agora. Por isso é tão importante continuar testando!

Nos últimos cinco anos, a humanidade começou a praticar um tipo totalmente novo de astronomia: a astronomia de ondas gravitacionais. Em vez de olhar para alguma forma de luz vinda do Universo – reunida com um telescópio, antena parabólica, antena ou algum outro equipamento sensível à radiação eletromagnética – construímos detectores de ondas gravitacionais especializados que podem detectar e caracterizar as ondulações no espaço-tempo produzido por massas em espiral, fundindo-se e ressoando a partir de interações umas com as outras.

Em 14 de setembro de 2015, nosso conhecimento do mundo mudou para sempre com a primeira detecção direta de ondas gravitacionais de buracos negros em fusão. Desde esse evento, cerca de 60 sinais de ondas gravitacionais adicionais foram vistos, incluindo não apenas a fusão de buracos negros, mas também a fusão de estrelas de nêutrons. Os últimos cinco anos validaram Einstein como nunca antes, provando que muitas das previsões da Relatividade Geral estão corretas. Nos próximos anos, as ondas gravitacionais terão uma oportunidade sem precedentes de testar nossa teoria da gravidade como nunca antes. Embora você nunca deva apostar contra Einstein, novas formas de sondar o Universo sempre têm a oportunidade de nos mostrar que ele não se comporta como esperávamos. Veja como as ondas gravitacionais podem acabar provando que Einstein estava errado.

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)

De acordo com a Relatividade Geral, as ondas gravitacionais surgem como um tipo inteiramente novo de radiação, separado de qualquer coisa conhecida antes. Sempre que uma massa acelera através de uma região do espaço curvo, ou sempre que uma massa em constante movimento se move através de uma região do espaço onde a curvatura está mudando, as mudanças na curvatura do espaço geram ondulações, semelhantes às ondulações da água sempre que uma gota de chuva cai em um lago . Essas ondulações, no entanto:

• não requerem um meio para viajar; simplesmente o tecido do espaço é suficiente,
• transportar energia para longe de qualquer sistema que os gerou,
• e viajar exatamente na velocidade da luz.

Até 2015, tudo isso era teoria, com apenas testes indiretos disponíveis para confirmar pequenos aspectos disso. Mas os avanços feitos na interferometria a laser, originalmente alavancados pela colaboração LIGO e mais tarde unidos pela Virgo, nos permitiram detectar as ondulações no espaço à medida que as ondas gravitacionais passavam pela Terra. Essas ondas, de fato, passaram pela Terra na velocidade da luz, alternadamente esticando e comprimindo o espaço em direções perpendiculares, permitindo-nos ver essas ondas gravitacionais pela primeira vez.

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)

À medida que as ondas passavam pela Terra, o alongamento em uma direção fazia com que a luz exigisse um pouco mais de tempo para atravessá-la, enquanto a compressão na direção perpendicular reduzia o tempo de viagem da luz em uma quantidade equivalente. Com pequenas mudanças no comprimento de cada braço do laser na presença de uma onda gravitacional, o padrão de interferência que a luz que viaja nesses braços do interferômetro cria é alterado um pouco. Ao observar os padrões que mudam em vários detectores, podemos reconstruir as propriedades não apenas das fontes que criaram essas ondas, mas das próprias ondas.

Além disso, um agora famoso evento de 2017 revelou a fusão de duas estrelas de nêutrons, onde as ondas gravitacionais chegaram em uma explosão e, apenas 1,7 segundo após o término dessa explosão, o primeiro sinal de luz chegou. Finalmente, poderíamos medir a velocidade da gravidade com precisão sem precedentes, e descobriu que era igual à velocidade da luz para 1 parte em ~10¹⁵. A velocidade, frequência, amplitude e energia dessas ondas gravitacionais, no melhor de nossas habilidades de medição, concordavam perfeitamente com o que Einstein previu.

Quando duas estrelas de nêutrons se fundem, elas sempre produzem um sinal de onda gravitacional. Se as estrelas de nêutrons tiverem massa baixa o suficiente, elas também produzirão luz: sinais eletromagnéticos. Em 2017, o primeiro sinal de onda gravitacional multimensageiro chegou, com a primeira luz de uma chamada kilonova chegando apenas 1,7 segundos após os sinais de onda gravitacional indicarem que uma fusão ocorreu a 130 milhões de anos-luz de distância. (FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS/LIGO/UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SONOMA/A. SIMONNET)

Mas cada vez que medimos algo novo – com maior precisão, por períodos mais longos, com sensibilidades aumentadas, em uma nova faixa de frequência, para uma nova classe de objetos, etc. – há uma chance de que o que vemos nos leve além da física conhecida. Enquanto a Teoria Geral da Relatividade de Einstein é puramente uma teoria tensorial, onde a presença de matéria e energia sozinha diz ao espaço como se curvar, e a curvatura do espaço sozinha diz à matéria e energia como se mover, existem outras possibilidades.

Também pode haver um componente escalar e/ou vetorial para a gravidade, que muitas tentativas de extensões ou teorias modificadas da gravidade introduzem. Embora a Relatividade Geral preveja que a velocidade da gravidade deve ser sempre igual à velocidade da luz, muitas dessas teorias alternativas da gravidade incorporam um conjunto intrigante de possibilidades para algo diferente. Como se vê, observações detalhadas de fusões buraco negro-buraco negro, com sensibilidades ainda maiores do que somos capazes de medir agora, podem ser exatamente o que finalmente nos leva além de Einstein.

Dois buracos negros, cada um com discos de acreção, são ilustrados aqui antes de colidirem. Observamos cerca de 60 fusões de buracos negros-buracos negros até agora, mas a próxima década deve revelar muitas centenas mais, possivelmente até nos levando acima da marca de 1000. Se tivermos sorte, um ou mais deles também podem experimentar fortes lentes gravitacionais. (MARK MYERS, ARC CENTRO DE EXCELÊNCIA PARA A DESCOBERTA DE ONDAS GRAVITACIONAIS (OZGRAV))

Para entender como isso pode funcionar, vamos começar pensando em algo muito mais familiar: a luz. Quando observamos a luz de qualquer fonte no Universo, vemos que ela vem em uma variedade de energias, que correspondem a uma variedade de comprimentos de onda e frequências. No entanto, a luz, se viaja no vácuo, é sempre uma onda eletromagnética, o que significa que gera campos elétricos e magnéticos alternados à medida que acelera pelo Universo. Além disso, a luz de todos os comprimentos de onda e energias, desde que viaje pelo vácuo do espaço, sempre se move exatamente na mesma velocidade: a velocidade da luz.

Se você pegasse toda a luz do Universo de uma fonte específica e medisse cada quantum individual de energia, descobriria que a luz poderia realmente ser decomposta em uma combinação de duas polarizações diferentes: no sentido horário e anti-horário. No vácuo do espaço, sem nenhuma matéria ou outras fontes de energia para interferir nele, todas as formas de luz viajam exatamente na mesma velocidade, independentemente da energia, comprimento de onda, intensidade ou polarização.

Uma polarização à esquerda é inerente a 50% dos fótons e uma polarização à direita é inerente aos outros 50%. Da mesma forma, as ondas gravitacionais também exibem duas polarizações: + e ×. A velocidade de uma onda deve ser independente de sua polarização, mas em materiais birrefringentes, pode ser diferente para a luz. Talvez haja circunstâncias em que também possa diferir para as ondas gravitacionais. (E-KARIMI / WIKIMEDIA COMMONS)

No entanto, existem algumas coisas diferentes que você pode fazer para essa luz em sua jornada até nós para mudar seu comportamento. Você pode refleti-lo para fora da matéria, o que pode polarizar total ou parcialmente a luz: tornando-a assimétrica entre as polarizações no sentido horário e anti-horário. Você pode passá-lo por uma região de espaço severamente curvado, o que causará um atraso de tempo gravitacional e corre a chance de desviar, distorcer e ampliar a luz em um exemplo espetacular de lente gravitacional.

Animação esquemática de um feixe contínuo de luz sendo disperso por um prisma. Observe como a natureza ondulatória da luz é consistente e uma explicação mais profunda do fato de que a luz branca pode ser dividida em cores diferentes. Observe também que quando a luz está no vácuo, tanto antes de entrar quanto depois de sair do prisma, tudo se move na mesma velocidade: a velocidade da luz no vácuo. (USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS LUCASVB)

Mas você também pode passar a luz através de uma lente óptica real, como um prisma. Sempre que viaja através de um meio, em vez do vácuo do espaço, a velocidade com que a luz viaja cai, e cai mais para a luz de energias mais altas. Como resultado, a luz azul se curva mais do que a luz vermelha quando entra em gotículas de água, criando os arco-íris naturais vistos na atmosfera da Terra. Além disso, alguns materiais são sensíveis não apenas ao comprimento de onda da luz, mas também à polarização, criando o efeito espetacular da birrefringência .

Aqui, um cristal de calcita é atingido com um laser operando a 445 nanômetros, fluorescente e exibindo propriedades de birrefringência. Ao contrário da imagem padrão da luz se dividindo em componentes individuais devido aos diferentes comprimentos de onda que compõem a luz, a luz de um laser está na mesma frequência, mas as diferentes polarizações se dividem. (JAN PAVELKA/CONCURSO DE FOTOGRAFIA DE CIÊNCIAS EUROPEIAS 2015)

Agora, vamos nos afastar das ondas eletromagnéticas e voltar às ondas gravitacionais. Ao contrário da luz, as ondas gravitacionais não se importam com a matéria de forma alguma. Você pode passar ondas gravitacionais através do vácuo do espaço, através de uma lente, prisma ou outro material, ou mesmo através da própria Terra sólida, e elas continuarão a se propagar na velocidade da gravidade. Eles não são afetados pela matéria em todos os aspectos, exceto em um: eles se preocupam com a forma como a matéria e a energia fazem com que o tecido do espaço se curve.

Assim como a luz, as ondas gravitacionais devem se mover na velocidade da gravidade, que deve ser igual à velocidade da luz. Isso deve ser verdade sempre e constantemente, independentemente da energia, comprimento de onda, intensidade ou polarização da onda gravitacional. Assim como a luz, as ondas gravitacionais têm duas polarizações, mas em vez de serem no sentido horário e anti-horário, elas são conhecidas como mais (+) e cruz (×), com as direções de alongamento e compressão giradas em 45 entre si para o duas polarizações. A orientação de um detector de ondas gravitacionais em relação à própria onda determina quanto da onda é + e quanto é ×, com cada onda sendo uma combinação de ambas.

Se a Relatividade Geral estiver exatamente correta, nenhuma dessas propriedades importa; as ondas gravitacionais sempre se moverão na velocidade da gravidade e serão todas afetadas igualmente pela curvatura do espaço por onde passam.

Esta imagem mostra seis exemplos da rica diversidade de 67 fortes lentes gravitacionais encontradas na pesquisa COSMOS. Quando a luz passa por uma região onde o espaço é severamente curvado, ela é dobrada, distorcida e ampliada independentemente de seu comprimento de onda ou polarização. Se Einstein estiver correto, as ondas gravitacionais devem se comportar de forma semelhante, mas se não, diferentes comprimentos de onda ou polarizações podem ser retardados em quantidades diferentes. (NASA, ESA, C. FAURE (ZENTRUM FÜR ASTRONOMIE, UNIVERSITY OF HEIDELBERG) E J.P. KNEIB (LABORATOIRE D'ASTROPHYSIQUE DE MARSEILLE))

No entanto, se a gravidade tiver um componente escalar ou vetorial - como muitas, talvez até a maioria das modificações da Relatividade Geral trazer para as equações - de repente, a velocidade da gravidade pode não ser sempre a mesma para todas as ondas gravitacionais. Em um novo artigo fascinante, os cientistas Jose María Ezquiaga e Miguel Zumalacárregui acertou os detalhes de como o espaço curvo afetará as ondas gravitacionais de maneira diferente se a Relatividade Geral não for a história completa.

Notavelmente, em uma grande classe de teorias que envolvem um componente escalar da gravidade além do componente tensorial padrão, eles descobriram que as duas polarizações, + e ×, se moverão em velocidades diferentes onde o espaço é fortemente curvo. Se houver uma grande massa próxima a um par de buracos negros em fusão, como um buraco negro supermassivo, ou uma galáxia, quasar ou aglomerado de galáxias massivo ao longo da linha de visão dos buracos negros em fusão, então devemos ver um sinal para cima. Se a polarização + se move mais rápido, ela chega primeiro, com a polarização × chegando mais tarde. Se virmos uma repetição de um sinal detectado ou um sinal que tem dois componentes idênticos que se sobrepõem – criando uma espécie de sinal codificado – devemos ser capazes de identificá-lo imediatamente. Isso não depende de nenhuma propriedade do sinal em si, mas sim de nossos detectores e de como eles são orientados em relação a ele. Com três detectores de ondas gravitacionais independentes operando agora, e pelo menos mais dois a caminho, diferentes detectores observarão diferentes proporções de polarizações + e ×.

Seria uma assinatura inconfundível de que Einstein não estava certo, afinal, e que a gravidade é mais complicada do que a Relatividade Geral nos levou a acreditar.

Nesta ilustração do sinal de onda gravitacional detectável, as polarizações + e × chegariam em momentos diferentes se houvesse um componente escalar para a gravidade e ambos os sinais viajassem por uma região de grande curvatura espacial. Afinal, um sinal repetido ou “embaralhado” pode revelar que a gravidade não obedece às previsões de Einstein. (MIGUEL ZUMALACÁRREGUI, COMUNICAÇÃO PRIVADA)

Na maioria dos casos na Relatividade Geral, onde as distâncias são grandes e os campos gravitacionais são relativamente fracos, podemos simplesmente pegar o limite newtoniano e adicionar de volta a primeira correção da relatividade: o que chamamos de aproximações de ordem principal. Mas onde os campos gravitacionais são fortes – como nas proximidades de buracos negros em fusão – precisamos fazer mais. Uma aproximação mais precisa envolve olhar ao lado da ordem principal e os nomes criativos ao lado dos termos da ordem principal, e alavancar essa análise mostra outra possibilidade: que as ondas gravitacionais podem desacelerar e dobrar de maneira diferente dependendo do comprimento de onda!

Quando um evento de onda gravitacional ocorre a partir de dois buracos negros inspirando e se fundindo, existem na verdade três fases: a inspiração, a fusão e o toque. Pouco antes do início da fusão, a frequência e a amplitude das ondas gravitacionais geradas pela fase inspiral aumentam (e o comprimento de onda diminui), com ambas mudando rapidamente imediatamente após a fusão também, durante a fase de ringdown. Assim como um prisma ou lente pode dobrar a luz de diferentes comprimentos de onda em diferentes quantidades, uma lente gravitacional pode dobrar e desacelerar ondas gravitacionais de diferentes comprimentos de onda em diferentes quantidades. À medida que continuamos a observar cada vez mais eventos de ondas gravitacionais, é apenas uma questão de tempo até que um deles ocorra perto de uma região de forte curvatura espacial, oferecendo uma chance de testar Einstein como nunca antes.

A lente gravitacional ocorre quando a luz passa por uma região de espaço fortemente curvo. Se a Relatividade Geral de Einstein estiver correta, as ondas gravitacionais devem ser captadas de forma idêntica à luz, independentemente da polarização ou comprimento de onda/frequência. Observar uma fusão de buracos negros binários perto de um buraco negro supermassivo ou com uma grande massa ao longo da linha de visão para nós nos permitiria testar esse aspecto da teoria mais bem-sucedida de Einstein. (NASA/ESA)

Nos próximos anos, os detectores gêmeos LIGO e os detectores Virgo não apenas serão atualizados várias vezes, aumentando sua sensibilidade e seu alcance, revelando taxas de eventos ainda maiores do que as impressionantes observações já feitas, mas também serão acompanhados por pelo menos mais dois detectores: KAGRA no Japão e LI GO Índia . Com detectores adicionais on-line, cada um orientado em uma configuração tridimensional exclusiva, é apenas uma questão de tempo até que ocorra um evento que coloque o Einstein nesse teste sem precedentes. Se um sinal de onda gravitacional experimenta um forte efeito de lente gravitacional, diferenças na velocidade da gravidade entre vários comprimentos de onda ou polarizações podem ser reveladas, mesmo que sejam milhares de vezes menores do que os limites que definimos hoje.

Sempre que você tem a oportunidade de testar suas leis bem estabelecidas da natureza de uma maneira inteiramente nova, você tem que aproveitá-la. A única maneira pela qual os avanços na física realmente ocorrem é quando temos resultados experimentais ou observacionais que são decisivos e inequívocos. Se a Relatividade Geral de Einstein não é a história completa da gravidade, vale a pena procurar em todos os lugares que pudermos para tentar revelar quaisquer rachaduras na teoria física mais bem-sucedida de todos os tempos. A próxima explosão de eventos de ondas gravitacionais durante esta década e a próxima nos levará finalmente além de Einstein, ou provará que Einstein estava certo em um reino inteiramente novo.

Graças a Miguel Zumalacarregui para discussões úteis sobre esses fenômenos.

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 .

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