O que significará se o LIGO vir ondas gravitacionais?
Crédito da imagem: Bohn et al 2015, equipe SXS, de dois buracos negros em fusão e como eles alteram a aparência do espaço-tempo de fundo na Relatividade Geral.
Apenas dois dias antes de seus dados serem divulgados, Eu escrevi esta história sobre o que tudo isso significa . Venha pegar a colher!
A teoria gravitacional de Einstein, que se diz ser a maior conquista da física teórica, resultou em belas relações conectando fenômenos gravitacionais com a geometria do espaço; esta foi uma ideia excitante. – Richard Feynman
Por mais de uma década, com muito pouca fanfarra, um novo tipo de astronomia vem acontecendo: a astronomia de ondas gravitacionais. Em vez de usar um telescópio para observar o Universo, um detector de ondas gravitacionais usa lasers, disparados e refletidos perpendicularmente um ao outro, e depois reconstruídos para criar um padrão de interferência específico quando se reúnem.
Atualizar: A primeira detecção de ondas gravitacionais valida Einstein de uma maneira totalmente nova!
Este aparelho - o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) — demonstrou sua prova de conceito de 2002 a 2010 e foi encerrado por cinco anos enquanto era atualizado. Em setembro de 2015, foi reativado com a nova atualização ( LIGO Avançado ), e em apenas dois dias, a colaboração Advanced LIGO vai fazer seu primeiro grande anúncio , e a especulação é esta: que vão anunciar a detecção direta da primeira onda gravitacional. Aqui está o que isso significaria.
Crédito da imagem: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration e A. Evans (Universidade da Virgínia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University), de uma galáxia com um buraco negro binário em seu núcleo .
Quando a Relatividade Geral de Einstein foi proposta pela primeira vez, era incrivelmente diferente do conceito de espaço e tempo que veio antes. Em vez de serem quantidades fixas e imutáveis pelas quais a matéria e a energia viajam, elas são dependente quantidades: dependentes umas das outras, dependentes da matéria e energia dentro delas, e mutáveis ao longo do tempo. Se tudo o que você tem é uma única massa, estacionária no espaço-tempo (ou se movendo sem nenhuma aceleração), seu espaço-tempo não muda. Mas se você adicionar uma segunda massa, essas duas massas se moverão uma em relação à outra, acelerar uns aos outros, e mudarão a estrutura de seu espaço-tempo. Em particular, porque você tem uma partícula massiva se movendo através de um campo gravitacional, as propriedades da Relatividade Geral significam que sua massa será acelerada e emitirá um novo tipo de radiação: radiação gravitacional.
Crédito da imagem: ESO/L. Calçada, de um pulsar orbitando um companheiro binário e as ondas gravitacionais (ou ondulações) no espaço-tempo que surgem como resultado.
Essa radiação gravitacional é diferente de qualquer outro tipo de radiação que conhecemos. Claro, ele viaja pelo espaço na velocidade da luz, mas ele mesmo é uma ondulação no tecido do espaço. Ele transporta energia para longe das massas em aceleração, o que significa que se as duas massas orbitarem uma à outra, essa órbita decairá com o tempo. E é essa radiação gravitacional – as ondas que causam ondulações no espaço – que transporta a energia. Para um sistema como a Terra orbitando o Sol, as massas são tão (relativamente) pequenas e as distâncias tão grandes que o sistema levará mais de 10¹⁵⁰ anos para decair, ou muitas, muitas vezes a idade atual do Universo. (E muitas vezes o tempo de vida até mesmo das estrelas de vida mais longa que são teoricamente possíveis!) Mas para buracos negros ou estrelas de nêutrons que orbitam umas às outras, esses decaimentos orbitais já foram observados.
Crédito da imagem: NASA (L), Instituto Max Planck de Radioastronomia / Michael Kramer, via http://www.mpg.de/7644757/W002_Physics-Astronomy_048-055.pdf .
Suspeitamos que existam sistemas ainda mais fortes por aí que simplesmente não conseguimos detectar, como buracos negros que espiralam e se fundem. Estes devem exibir sinais característicos, como uma fase de inspiração, uma fase de fusão e, em seguida, uma fase de ringdown, todos os quais resultam na emissão de ondas gravitacionais que o Advanced LIGO deve ser capaz de detectar. A maneira como o sistema Advanced LIGO funciona é nada menos que brilhante e aproveita a radiação única dessas ondas gravitacionais. Em particular, tira vantagem de como eles fazem com que o espaço-tempo responda.
Essas ondulações funcionam comprimindo e expandindo o espaço em direções perpendiculares uma à outra, com frequências e intensidades que dependem de várias propriedades de onde elas vêm, como as duas massas que espiralam uma na outra, sua distância de entre si, e sua distância de nós. O LIGO avançado dispara dois lasers de frequências/comprimentos de onda idênticos perpendiculares um ao outro em um eixo de quatro quilômetros em qualquer direção, rebatendo-os nos espelhos muitas vezes (aumentando efetivamente o comprimento do caminho para milhares de quilômetros), e então os reúne novamente, onde eles criam um padrão de interferência um com o outro.
Crédito da imagem: domínio público / Governo dos EUA, de um esquema de como o LIGO funciona. Modificações feitas por Krzysztof Zajączkowski.
Em circunstâncias normais (onde nenhuma onda gravitacional passa por eles), esses comprimentos de caminho são iguais e o padrão de interferência parece normal. Mas se uma onda gravitacional passar, esse padrão de interferência mudança em um conjunto particular de circunstâncias, e essa mudança nos dirá a massa de cada parte do sistema, quão distantes estão e quão distantes estão de nós.
Temos dois sistemas avançados LIGO configurados: um no noroeste dos Estados Unidos (em Washington) e outro no sudeste dos Estados Unidos (em Louisiana), e se ambos os detectores virem a mesma coisa, pegaremos nossa primeira onda gravitacional! Esta versão do LIGO deve ser mais sensível a dois buracos negros entre 1 e algumas centenas de massas solares se fundindo a muitos milhões de anos-luz: algo que deve acontecer pelo menos algumas vezes por ano.
Crédito da imagem: Caltech/MIT/LIGO Lab, do intervalo de pesquisa LIGO avançado.
Se a colaboração anunciar seu primeiro evento detectado nesta quinta-feira, eles não apenas terão essa informação para nós, será um novo teste bem sucedido da Relatividade Geral de Einstein e a primeira evidência direta de radiação gravitacional de todos os tempos. O Advanced LIGO é o observatório de ondas gravitacionais mais avançado já construído e o primeiro que deve realmente ver um sinal verdadeiro. Com quase 1.000 cientistas a bordo, é a maior colaboração científica projetada para procurá-los também. Se tudo correr como esperado, uma nova era da astronomia está prestes a começar.
Instalando as atualizações avançadas do LIGO. Crédito da imagem: Caltech/MIT/LIGO Lab, tirada por Cheryl Vorvik. - Veja mais em: http://www.ligo.org/science/faq.php#sthash.yAM1hPOo.dpuf
Sou muito contra fazer ciência por boatos - e estou especialmente chocado com Lawrence Krauss por infundadamente iniciar este boato no ano passado – pois este é o anúncio da equipe LIGO a ser feito. Mas se eles encontrarem uma onda gravitacional, é isso que ela nos ensinará: que a relatividade de Einstein está certa, que a radiação gravitacional é real e que a fusão de buracos negros não apenas os produz, mas que essas ondas podem ser detectadas. É um tipo totalmente novo de astronomia – que não usa telescópios – e uma maneira totalmente nova de ver buracos negros, estrelas de nêutrons e outros objetos que são quase invisíveis. Pela primeira vez, podemos estar desenvolvendo olhos para examinar o Universo de uma forma que nenhuma criatura viva jamais examinou antes.
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