O dia oficial da descoberta (detecção) das ondas gravitacionais é 11 de fevereiro de 2016. Foi então, em uma coletiva de imprensa em Washington, que os líderes da colaboração LIGO anunciaram que uma equipe de pesquisadores conseguiu registrar esse fenômeno pela primeira vez na história da humanidade.
Profecias do grande Einstein
Ainda no início do século passado (1916), Albert Einstein sugeriu que as ondas gravitacionais existem no âmbito da Teoria Geral da Relatividade (GR) formulada por ele. Só podemos nos maravilhar com as brilhantes habilidades do famoso físico, que, com um mínimo de dados reais, foi capaz de tirar conclusões tão abrangentes. Entre os muitos outros fenômenos físicos previstos que foram confirmados no século seguinte (desaceleração do fluxo do tempo, mudança de direção da radiação eletromagnética em campos gravitacionais etc.), não foi possível detectar na prática a presença desse tipo de onda. interação de corpos até recentemente.
A gravidade é uma ilusão?
Em geral, à luzA teoria da relatividade dificilmente pode chamar a gravidade de força. Esta é uma consequência da perturbação ou curvatura do contínuo espaço-tempo. Um bom exemplo que ilustra este postulado é um pedaço de pano esticado. Sob o peso de um objeto maciço colocado em tal superfície, um recesso é formado. Outros objetos que se movem próximos a esta anomalia irão alterar a trajetória de seu movimento, como se fossem “atraídos”. E quanto maior o peso do objeto (quanto maior o diâmetro e a profundidade da curvatura), maior a "força de atração". Quando se move pelo tecido, pode-se observar o aparecimento de uma "ondulação" divergente.
Algo semelhante acontece no espaço do mundo. Qualquer matéria massiva em movimento rápido é uma fonte de flutuações na densidade do espaço e do tempo. Uma onda gravitacional com amplitude significativa, formada por corpos com massas extremamente grandes ou quando se movem com grandes acelerações.
Características físicas
As flutuações da métrica espaço-tempo se manifestam como mudanças no campo gravitacional. Esse fenômeno também é chamado de ondulações do espaço-tempo. A onda gravitacional atua sobre os corpos e objetos encontrados, comprimindo-os e esticando-os. Os valores de deformação são muito pequenos - cerca de 10-21 do tamanho original. Toda a dificuldade de detectar esse fenômeno foi que os pesquisadores tiveram que aprender a medir e registrar tais mudanças com a ajuda de equipamentos apropriados. O poder da radiação gravitacional também é extremamente pequeno - para todo o sistema solar éalguns quilowatts.
A velocidade de propagação das ondas gravitacionais depende ligeiramente das propriedades do meio condutor. A amplitude de oscilação diminui gradualmente com a distância da fonte, mas nunca chega a zero. A frequência está na faixa de várias dezenas a centenas de hertz. A velocidade das ondas gravitacionais no meio interestelar está se aproximando da velocidade da luz.
Evidência circunstancial
Pela primeira vez, a confirmação teórica da existência de ondas gravitacionais foi obtida pelo astrônomo americano Joseph Taylor e seu assistente Russell Hulse em 1974. Estudando as extensões do Universo usando o radiotelescópio do Observatório de Arecibo (Porto Rico), os pesquisadores descobriram o pulsar PSR B1913 + 16, que é um sistema binário de estrelas de nêutrons girando em torno de um centro de massa comum com velocidade angular constante (um caso bastante raro). A cada ano, o período de revolução, que era originalmente de 3,75 horas, é reduzido em 70 ms. Este valor é bastante consistente com as conclusões das equações GR que prevêem um aumento na velocidade de rotação de tais sistemas devido ao gasto de energia para a geração de ondas gravitacionais. Posteriormente, vários pulsares duplos e anãs brancas com comportamento semelhante foram descobertos. Os radioastrônomos D. Taylor e R. Hulse receberam o Prêmio Nobel de Física em 1993 por descobrirem novas possibilidades para estudar campos gravitacionais.
Escape da onda gravitacional
Primeira afirmação sobredetecção de ondas de gravidade veio do cientista da Universidade de Maryland Joseph Weber (EUA) em 1969. Para isso, ele usou duas antenas gravitacionais de seu próprio projeto, separadas por uma distância de dois quilômetros. O detector ressonante era um cilindro de alumínio de dois metros de peça única e bem vibrado, equipado com sensores piezoelétricos sensíveis. A amplitude das flutuações supostamente registradas por Weber acabou sendo mais de um milhão de vezes maior do que o valor esperado. As tentativas de outros cientistas usando tais equipamentos para repetir o "sucesso" do físico americano não trouxeram resultados positivos. Alguns anos depois, o trabalho de Weber nessa área foi reconhecido como insustentável, mas deu impulso ao desenvolvimento de um “boom gravitacional” que atraiu muitos especialistas para essa área de pesquisa. Aliás, o próprio Joseph Weber teve certeza até o fim de seus dias de receber ondas gravitacionais.
Melhoria do equipamento de recebimento
Na década de 70, o cientista Bill Fairbank (EUA) desenvolveu o projeto de uma antena de onda gravitacional resfriada por hélio líquido usando SQUIDs - magnetômetros supersensíveis. As tecnologias que existiam naquela época não permitiam que o inventor visse seu produto, realizado em "metal".
O detector gravitacional Auriga foi feito desta forma no Laboratório Nacional Legnard (Pádua, Itália). O projeto é baseado em um cilindro de alumínio-magnésio, com 3 metros de comprimento e 0,6 m de diâmetro, um dispositivo receptor pesando 2,3 toneladassuspensa em uma câmara de vácuo isolada resfriada quase ao zero absoluto. Um ressonador auxiliar de quilogramas e um complexo de medição baseado em computador são usados para fixar e detectar vibrações. Sensibilidade declarada do equipamento 10-20.
Interferômetros
O funcionamento dos detectores de interferência de ondas gravitacionais é baseado nos mesmos princípios do interferômetro de Michelson. O feixe de laser emitido pela fonte é dividido em dois fluxos. Após várias reflexões e viagens ao longo dos ombros do dispositivo, os fluxos são novamente reunidos e a imagem de interferência final é usada para julgar se alguma perturbação (por exemplo, uma onda gravitacional) afetou o curso dos raios. Equipamentos semelhantes foram criados em muitos países:
- GEO 600 (Hanover, Alemanha). O comprimento dos túneis de vácuo é de 600 metros.
- TAMA (Japão) 300m ombros
- VIRGO (Pisa, Itália) é um projeto conjunto franco-italiano lançado em 2007 com túneis de 3 km.
- LIGO (EUA, Costa do Pacífico), caçando ondas gravitacionais desde 2002.
Vale a pena considerar o último com mais detalhes.
LIGO Avançado
O projeto foi iniciado por cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e do Instituto de Tecnologia da Califórnia. Inclui dois observatórios separados por 3 mil km, nos estados de Louisiana e Washington (as cidades de Livingston e Hanford) com três interferômetros idênticos. Comprimento do vácuo perpendiculartúneis é de 4 mil metros. Essas são as maiores estruturas desse tipo atualmente em operação. Até 2011, inúmeras tentativas de detectar ondas gravitacionais não trouxeram resultados. A significativa modernização realizada (Advanced LIGO) aumentou a sensibilidade dos equipamentos na faixa de 300-500 Hz em mais de cinco vezes, e na região de baixa frequência (até 60 Hz) em quase uma ordem de grandeza, atingindo um valor tão cobiçado de 10-21. O projeto atualizado começou em setembro de 2015, e os esforços de mais de mil colaboradores foram recompensados com resultados.
Ondas de gravidade detectadas
Em 14 de setembro de 2015, detectores LIGO avançados com intervalo de 7 ms registraram ondas gravitacionais que atingiram nosso planeta a partir do maior fenômeno ocorrido nos arredores do Universo observável - a fusão de dois grandes buracos negros com massas 29 e 36 vezes a massa do Sol. Durante o processo, que ocorreu há mais de 1,3 bilhão de anos, cerca de três massas solares de matéria foram gastas na radiação de ondas gravitacionais em questão de frações de segundo. A frequência inicial das ondas gravitacionais foi registrada como 35 Hz, e o valor de pico máximo atingiu 250 Hz.
Os resultados obtidos foram repetidamente submetidos a verificação e processamento abrangentes, interpretações alternativas dos dados obtidos foram cuidadosamente cortadas. Finalmente, em 11 de fevereiro do ano passado, foi anunciado à comunidade mundial o registro direto do fenômeno previsto por Einstein.
Fato que ilustra o trabalho titânico dos pesquisadores: a amplitude das flutuações nas dimensões dos braços do interferômetro foi de 10-19m - esse valor é tão menor que o diâmetro do um átomo por ser menor que uma laranja.
Outras perspectivas
A descoberta mais uma vez confirma que a Teoria Geral da Relatividade não é apenas um conjunto de fórmulas abstratas, mas um olhar fundamentalmente novo sobre a essência das ondas gravitacionais e da gravidade em geral.
Em pesquisas posteriores, os cientistas têm grandes esperanças para o projeto ELSA: a criação de um interferômetro orbital gigante com braços de cerca de 5 milhões de km, capaz de detectar até mesmo pequenas perturbações de campos gravitacionais. A intensificação do trabalho nesse sentido pode dizer muito sobre as principais etapas do desenvolvimento do Universo, sobre processos difíceis ou impossíveis de observar em bandas tradicionais. Não há dúvida de que os buracos negros, cujas ondas gravitacionais serão fixadas no futuro, dirão muito sobre sua natureza.
Para estudar a radiação gravitacional relíquia, que pode contar sobre os primeiros momentos do nosso mundo após o Big Bang, serão necessários instrumentos espaciais mais sensíveis. Tal projeto existe (Big Bang Observer), mas sua implementação, segundo especialistas, é possível não antes de 30-40 anos.
