ONDAS GRAVITACIONAIS

1. ONDAS GRAVITACIONAIS André Dalpian Kuhn

2. O que é uma onda gravitacional? A existência de Ondas Gravitacionais encontra-se ligada à teoria da Relatividade Geral proposta por Einstein em 1916.

3. O que é uma onda gravitacional? • Não há propagação instantânea de interações o que implica a existência de ondas gravitacionais • Qualquer aceleração assimétrica numa massa produz ondas que se propagam com velocidade da luz. • Ondas gravitacionais são uma perturbação no espaço-tempo e formam com este uma entidade indivisível.

4. O que é uma onda gravitacional? • Uma onda gravitacional pode apresentar dois estados independentes de polarização, que contém informações adicionais sobre a sua fonte. • Com isso podemos presumir a existência de 5 modos diferentes de polarização de uma onda gravitacional.

6. O que é uma onda gravitacional? • Descoberto em 1974 o pulsar binário PSR1913+16 por Joseph Taylor e Russel Hulse produziu evidências indiretas de ondas gravitacionais. • Dois objetos compactos com raios da ordem de dezenas de quilômetros, massas da ordem da massa solar, e uma distância da ordem da separação da Terra à Lua.

8. O que é uma onda gravitacional? • Variação no período orbital do sistema de 75 milionésimos de segundo por ano. • Este pequeno mas significativo decréscimo pode ser explicado pela perda de energia do sistema sob a forma de radiação gravitacional. • Uma das conseqüências do decréscimo do período orbital é a aproximação dos dois objetos que formam o binário numa dança da morte que conduzirá à destruição de ambos. • A diferença entre este valor e a previsão da Relatividade Geral é menor que 1%

9. Fontes astrofísicas de ondas gravitacionais • Existem 3 maneiras de uma onda gravitacional ser gerada no universo: • Colapso Gravitacional • Estrela de nêutrons em rotação • Sistema binário

10. Fontes astrofísicas de ondas gravitacionais • COLAPSO GRAVITACIONAL • A formação de uma estrela de nêutrons induzida pelo colapso gravitacional do núcleo de uma estrela (Supernova do tipo II) é um dos fenômenos mais violentos que podemos observar no Universo. • A energia libertada pela explosão e que se calcula ser da ordem de 15% da massa Solar é transportada essencialmente por neutrinos.

11. Fontes astrofísicas de ondas gravitacionais • Supõe-se também que uma parte desta enorme energia é convertida em ondas gravitacionais. • Infelizmente, é extremamente difícil fazer previsões rigorosas para as amplitudes e freqüências das ondas gravitacionais emitidas uma vez que a modelação de uma Supernova do tipo II é um problema altamente não trivial dada a complexidade e as incertezas envolvidas.

12. A Grande Nuvem de Magalhães antes (direita) e imediatamente após a supernova 1987A (esquerda). Para os leitores mais distraídos, a supernova é a mancha brilhante no centro da imagem...

13. Fontes astrofísicas de ondas gravitacionais • ESTRELA DE NÊUTRONS • Um objeto assimétrico em rotação produz ondas gravitacionais. Embora este resultado se aplique a qualquer objeto em rotação, na prática apenas objetos compactos como estrelas de nêutrons produzem ondas gravitacionais por este processo.

15. Fontes astrofísicas de ondas gravitacionais • SISTEMAS BINÁRIOS • Esta categoria é a que mais oferece possibilidades de detecção. • Binários que incluem um buraco negro; • Uma estrela de nêutrons (como o pulsar binário descoberto por Hulse e Taylor); • Duas anãs brancas. Esse caso deve contribuir essencialmente para o fundo estocástico de ondas gravitacionais.

17. O fundo cosmológico de ondas gravitacionais • Nos finais dos anos 30 do Séc. XX, Erwin Schrödinger, mais conhecido como um dos fundadores da mecânica quântica, percebeu que num universo em expansão existe uma produção não desprezível de partículas dependente da aceleração da expansão. • Este resultado deixou-o tão chocado que no artigo onde esta descoberta é relatada, Schrödinger usa a expressão "fenômeno alarmante"

18. O fundo cosmológico de ondas gravitacionais • Podemos postular a existência de uma partícula elementar mediadora da interação gravitacional, o gráviton, e fazendo uso da dualidade onda partícula, associar o gráviton a uma onda gravitacional. • Embora os detalhes estejam completamente fora do âmbito da nossa discussão, o gráviton tal como o fóton não tem massa, move-se à velocidade da luz e tem spin 2.

19. O fundo cosmológico de ondas gravitacionais • O que é interessante notar nesta análise de Schrödinger é que ele associa a produção de partículas à aceleração e não diretamente à expansão. • Esta observação crucial viria a tomar grande importância no contexto da cosmologia inflacionária.

20. O fundo cosmológico de ondas gravitacionais • Uma imagens para este processo foi desenvolvida por Grishchuk e baseia-se na semelhança entre as equações que descrevem a amplificação das ondas gravitacionais e as equações que descrevem o efeito de túnel de uma partícula numa barreira de potencial com um potencial V=ä/a onde a é o fator de escala do Universo e as " indicam a segunda derivada. • Tal como Schrödinger tinha percebido, o importante neste caso é a aceleração da expansão (ä) não a velocidade da expansão

22. O fundo cosmológico de ondas gravitacionais • O resultado final é em geral uma sobreposição incoerente de ondas gravitacionais que resultam num fundo que se assemelha em grande parte a ruído. • Embora a origem quântica deste fundo cosmológico introduza correlações sutis entre as várias ondas, não é claro que elas possam ser detectadas.

23. O fundo cosmológico de ondas gravitacionais • Devido à sua fraca capacidade de interagir as ondas gravitacionais desacoplaram da matéria nas frações de segundo imediatamente após o Big Bang. • Os mapas da radiação cósmica de fundo produzidos por satélites nos mostram uma imagem do Universo no instante em que radiação e matéria deixaram efetivamente de interagir (isto é, quando a idade do Universo era aproximadamente 200000 anos) • Um mapa do fundo cosmológico de ondas gravitacionais seria basicamente uma imagem do Universo imediatamente após o Big Bang

25. Detectando ondas gravitacionais • Existem essencialmente dois tipos de detectores: barras ressonantes e interferômetros. • Embora os detalhes de construção e as suas propriedades sejam bastante diferentes, o princípio usado para a detecção é essencialmente o mesmo.

26. Detectando ondas gravitacionais • Uma onda gravitacional, sacudiria a forma de qualquer corpo físico em seu caminho. • Para detectar tais perturbações, Joseph Weber construiu cilindros sólidos de alumínio, com 2 metros de comprimento e 1 metro de diâmetro, e os pendurou por fios de aço

27. Detectando ondas gravitacionais • Weber penou muito para isolar os cilindros de vibrações e perturbações locais, sísmicas e eletromagnéticas, e dizia que a única fonte significante de ruído de fundo vinha do movimento térmico dos átomos de alumínio. • O movimento térmico fazia o comprimento do cilindro variar erraticamente em torno de 10-16m, menos que o diâmetro de um próton, mas não muito maior que as ondas gravitacionais esperadas.

28. Detectando ondas gravitacionais • A evidência da detecção foi baseada na observação desses sinais acima do ruído em mais de um cilindro, dentro do mesmo período de meio segundo. • Em 1969, ele apresentou na Physical Review Letters em torno de duas dúzias de detecções coincidentes nos dois locais em um período de 81 dias. • Alguns dos sinais eram tão grandes que coincidências por puro acaso poderiam ocorrer apenas uma vez em centenas ou milhares de anos.

29. Detectando ondas gravitacionais • No momento, um dos detectores ressonantes mais sensíveis é o AURIGA • A primeira fase de operação que terminou em 1999 conseguiu atingir sensibilidades da ordem de 10-21 Hz-1. • Este número refere-se à amplitude da transformada de Fourier da onda gravitacional

30. Detectando ondas gravitacionais • INTERFEROMETRIA • Quando uma onda gravitacional interage com os dois braços perpendiculares de um interferômetro vai induzir pequenas variações no seu comprimento que podem ser medidas através do padrão de interferência resultante da recombinação da luz que se propaga no instrumento.

31. Detectando ondas gravitacionais • Em geral o comprimento dos braços do interferômetro deve ser da ordem de alguns Km para que ondas gravitacionais com amplitudes da ordem de 10-21 (a amplitude das ondas gravitacionais produzidas em alguns dos processos astrofísicos mais interessantes) dêem origem a deslocamentos da ordem de 10-18m.

32. Detectando ondas gravitacionais • O Laboratório do LISA em Hanford. Repare-se nos dois braços do interferômetro que saem do edifício central. Uma caminhada nos campos em redor das instalações que albergam o instrumento pode causar grandes dores de cabeça aos físicos que procuram observar ondas gravitacionais