Nobel de Física 2017: detecção das ondas gravitacionais

Os três laureados com o Nobel de Física 2017 (crédito: LIGO/Caltech/MIT)

Para o Nobel de Física 2017, apostei¹ todas as minhas fichas no LIGO – Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory e na incrível detecção das ondas gravitacionais que, em 2015, ocorreu pela primeira vez na história. Veja meu tweet de ontem, segunda-feira, 02 de outubro, 23h37min:

Não deu outra: o Nobel de Física 2017 vai para Rainer Weiss, Barry C. Barish e Kip S. Thorne "pelas contribuições decisivas no projeto do detector LIGO e a observação de ondas gravitacionais".

Weiss, alemão, ficou com metade do prêmio de pouco mais de R$ 3 milhões. Os americanos Barish e Thorne dividem a outra metade.
Os três cientistas estão envolvidos de forma decisiva na histórica detecção das ondas gravitacionais previstas pela Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein (1915/16) mas só confirmadas experimentalmente cem anos depois.

Soube da premiação por volta das 7h da manhã pelo rádio quando eu subia a serra para lecionar em Poços de Caldas, MG. Como físico e apaixonado pela Ciência, comemorei sozinho no carro! Só agora, no final da tarde, de volta em casa, depois de lecionar o dia todo (e antes das minhas aulas da noite²), estou tendo tempo para postar.

O que são ondas gravitacionais?

A Teoria da Relatividade Geral de Einstein considera que o tempo e o espaço formam uma espécie de tecido de quatro dimensões (três espaciais e uma temporal), o espaço-tempo.

Assim como num lençol esticado (de duas dimensões), sobre o qual apoiamos uma "massiva" melancia, a presença de massa deforma o tecido do espaço-tempo (de quatro dimensões). Para Einstein, a gravidade não era exatamente uma força mas a deformação no tecido do espaço-tempo.

Perturbações no corpo massivo, segundo a teoria, poderiam se propagar pelo tecido do espaço-tempo assim como, por analogia, pancadas na melancia apoiada num lençol acabam gerando ondas que se espalham pelo pano.

As chamadas ondas gravitacionais também têm a capacidade de deformar o tecido do espaço-tempo, num efeito similar à gravidade. O adjetivo gravitacional dados as tais ondas é, portanto, bastante pertinente já que elas (ondas) deformam o espaço-tempo.

Ondas no lençol, análogas às ondas gravitacionais no tecido do espaço-tempo

Na prática, eventos violentos, envolvendo muita energia, como a colisão/fusão de buracos negros, podem perturbar o espaço-tempo, gerando ondas gravitacionais que viajam à velocidade da luz, espalhando-se em todas as direções do Universo. Foi exatamente isso que os cientistas mediram no LIGO no final de 2015.

Um objeto atingido por uma onda gravitacional sofre deformações do tipo estica/encolhe. Mas são deformações minúsculas, menores do que partículas subatômicas. Uma forma de sabermos que uma onda gravitacional passou por um objeto é tentarmos medir tais deformações. Mas que régua podemos usar para uma medida tão delicada de comprimento? A resposta, logo abaixo, está na técnica conhecida como interferometria, exatamente o que usaram os cientistas laureados com o Nobel 2017.

Um interferômetro como régua 

No equipamento conhecido como interferômetro, um feixe laser único inicial é dividido em dois. Cada um dos dois feixes viaja por diferentes caminhos perpendiculares entre si e, depois de refletidos por espelhos, voltam a se encontrar, sobrepondo-se, dando origem ao que conhecemos em Física como interferência.

Como os dois feixes têm origem numa só fonte, estão em concordância de fase. Mas é possível ajustar os comprimentos dos dois caminhos diferentes seguidos pelos dois feixes para que, quando se encontrarem, ocorra interferência destrutiva. Assim, crista de um se sobrepõe a vale do outro e vice-versa. E o que vemos, como produto final, é um sinal plano na tela do computador, ratificando que as oscilações dois feixes se anularam mutuamente. Essa ausência de sinal é um padrão importante. Enquanto ela existir significa que cada um dos dois caminhos permaneceu exatamente do mesmo tamanho, como o mesmo comprimento, garantindo a condição de interferência destrutiva e sinal zero.

No entanto, se o efeito estica/encolhe provocado pela passagem de ondas gravitacionais na Terra alterar ainda que sutilmente qualquer um dos dois caminhos percorridos pelos dois feixes laser, ao se reencontrarem, não mais ocorrerá interferência destrutiva e um sinal não nulo vai "brotar" na tela do equipamento, denunciando a passagem das ondas gravitacionais.

O esquema abaixo mostra, de forma simplificada, como funciona um interferômetro, a ideia básica por trás do LIGO.

O princípio básico da interferometria

Cada um dos dois detectores gêmeos do LIGO, localizados nos EUA, tem interferômetros gigantes com braços de cerca de 4 km de comprimento. Com este arranjo, desenhado para ser muito sensível, foi possível detectar a passagem pela Terra de ondas gravitacionais provenientes da colisão de dois buracos negros que se fundiram. O sinal plano deu lugar ao sinal mostrado na imagem abaixo e que revelou para os cientistas a presença do efeito estica/encolhe nos braços do interferômetro. Genial, não?

Sinal correspondente à primeira onda gravitacional detectada [Fonte: Nobel Prize]

Depois deste primeiro sinal, ratificando o pioneirismo da técnica bem-sucedida, o LIGO fez outras duas detecções de ondas gravitacionais. E em agosto deste ano, o LIGO e o VIRGO, outro experimento de interferometria, com base na Itália, mediram simultaneamente novo sinal de ondas gravitacionais. Ainda que menos sensível que os detectores americanos, o VIRGO nos ajuda a ratificar o sucesso da técnica da interferometria para detectar ondas gravitacionais. Fica assim evidente que muito em breve poderemos estudar o Universo a partir da detecção sistemática das ondas gravitacionais, verdadeiras assinaturas de eventos que despejaram altas doses de energia no tecido do espaço-tempo no passado mas só agora estão chegando até nós. Os detectores por interferometria serão como novos telescópios que, em vez de ondas eletromagnéticas, enxergarão as ondas gravitacionais.

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Está gostando do papo e das ideias científicas incríveis por trás deste Nobel de Física 2017? Em fevereiro de 2016, quando a primeira detecção de ondas gravitacionais feita pelo LIGO foi oficializada, escrevi um post caprichado sobre o tema (desculpe-me pela falta de modéstia!). Nele explico o que são ondas e em especial o que são as ondas gravitacionais. E também mostro, de forma mais detalhada, como funciona o detector do LIGO.

Para não me alongar neste texto de hoje, e uma vez que o outro post está em definitivo no blog como referência didática na introdução ao tema ondas gravitacionais, indico-o como leitura caso queira aprofundar o tema. Confira: Quer entender o que são ondas gravitacionais?.

Espero que goste!

Deixe os seus comentários!

1 – Em 2016 eu já apostava no Nobel para os cientistas do LIGO. Veja aqui.
2- Quase loucura: leciono nos três períodos às terças-feiras. E em duas cidades diferentes!

Para saber mais

• Prize Announcement
• Press release
• Popular Information (PDF)
• Advanced Information (PDF)
• Todos os laureados com o Nobel de Física desde 1901.

Já publicado aqui no Física na Veia!

Confira os posts do blog sobre os trabalhos dos laureados com Nobel de Física desde 2006.

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