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Nobel de Física 2017: detecção das ondas gravitacionais
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Prof. Dulcidio Braz Júnior

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.

_________________________

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!

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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


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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Nobel de Física 2016: as fases exóticas da matéria
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Prof. Dulcidio Braz Júnior

Nobel_2016

David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane e J. Michael Kosterlitz. Fonte: NobelPrize.org

 

Saiu hoje, 4 de outubro, o Nobel de Física¹ 2016. Apostei no pessoal do LIGOLaser Inteferometer Gravitational-Wave Observatory e a incrível (e inédita!) detecção das ondas gravitacionais (saiba mais nesse post). Errei! O tema premiado foi o estudo das transições de fase da matéria e seus estados exóticos usando Topologia, ramo avançado da matemática, evolução da Geometria, que descreve as propriedades de um objeto que permanecem intactas quando o próprio objeto é esticado, torcido ou deformado, sem no entanto ser dilacerado.

Três cientistas britânicos — mas que atuam em universidades americanas — dividiram o prêmio de pouco mais de R$ 3 milhões: David Thouless da Washington University (1/2 do prêmio), Duncan Haldane da Princeton University (1/4 do prêmio) e Michael Kosterlitz da Brown University (1/4 do prêmio).

Convivemos — e por isso mesmo estamos acostumados — com a matéria em apenas três fases ou estados clássicos: o sólido, o líquido e o gás.  Mas, se a temperatura da matéria sobe bastante, o grau de agitação dos átomos e moléculas fica muito elevado e passamos a ter o estado conhecido como plasma. Se a temperatura abaixa para valores próximos do Zero Absoluto, o zero da escala absoluta Kelvin, podemos atingir o estado conhecido como  Condensado de Bose-Einstein, um condensado quântico no qual todos os átomos, exauridos da energia térmica, encontram-se no mais baixo estado quântico, comportando-se como se fossem juntos um só átomo gigante, evidenciando macroscopicamente o comportamento quântico da matéria.

Nobel_Fisica_2016__01

Estados clássicos da matéria e seus extremos exóticos

 

Nos extremos de temperatura, muito alta ou muito baixa, temos os estados exóticos, de comportamento bastante peculiar.  Entender a fundo como a matéria se comporta nesses estados pode ser o caminho para criar novos materiais e com características bastante diferentes. Segundo o comitê  organizador do Nobel, “na última década, essa área do conhecimento impulsionou pesquisas de ponta em física da matéria condensada. Os físicos esperam poder usar os materiais topológicos em novas gerações de dispositivos eletrônicos e supercondutores, além de abrir caminho para o futuro desenvolvimento de computadores quânticos. As transições de fase topológica da matéria abrem portas para um mundo desconhecido onde a matéria pode assumir estados estranhos”.

Mas note aí: as ondas gravitacionais vão levar o Nobel de Física. Em breve.


1 – Soube da premiação de Física no meu horário de almoço. Às terças leciono em Poços de Caldas, MG, a manhã toda e parte da tarde. Somente agora, ao final da tarde, ao voltar para casa( e antes da terceira jornada de aulas à noite) pude saber mais detalhes sobre as pesquisas e cientistas laureados e escrever algo sobre o tema. Quero me aprofundar mais oportunamente!

Para saber mais


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