Ondas gravitacionais. A essência das ondas gravitacionais em palavras simples

Ondas gravitacionais são mudanças no campo gravitacional que se propagam como ondas. Eles são emitidos por massas em movimento, mas após a radiação são separados delas e existem independentemente dessas massas. Matematicamente relacionado à perturbação das métricas do espaço-tempo e pode ser descrito como "ondulações do espaço-tempo".
EM teoria geral relatividade e na maioria dos outros teorias modernas Na gravidade, as ondas gravitacionais são geradas pelo movimento de corpos massivos com aceleração variável. As ondas gravitacionais se propagam livremente no espaço à velocidade da luz. Devido à relativa fraqueza das forças gravitacionais (em comparação com outras), estas ondas têm uma magnitude muito pequena, difícil de registar.
As ondas gravitacionais são previstas pela teoria da relatividade geral (GR) e muitas outras teorias da gravidade. Eles foram detectados diretamente pela primeira vez em setembro de 2015 pelos detectores gêmeos do LIGO, que detectaram ondas gravitacionais provavelmente produzidas pela fusão de dois buracos negros para formar um único buraco negro giratório, mais massivo. Evidências indiretas de sua existência são conhecidas desde a década de 1970 - a Relatividade Geral prevê taxas de convergência de sistemas próximos de estrelas duplas que coincidem com observações devido à perda de energia por radiação ondas gravitacionais. O registro direto de ondas gravitacionais e seu uso para determinar os parâmetros de processos astrofísicos é uma tarefa importante da física e da astronomia modernas.
No âmbito da relatividade geral, as ondas gravitacionais são descritas por soluções das equações de Einstein do tipo onda, que representam uma perturbação da métrica espaço-tempo movendo-se à velocidade da luz (na aproximação linear). A manifestação desta perturbação deve ser, em particular, uma mudança periódica na distância entre duas massas de teste em queda livre (isto é, não influenciadas por quaisquer forças). A amplitude h de uma onda gravitacional é uma quantidade adimensional - uma mudança relativa na distância. As amplitudes máximas previstas de ondas gravitacionais de objetos astrofísicos (por exemplo, sistemas binários compactos) e fenômenos (explosões de supernovas, fusões de estrelas de nêutrons, capturas de estrelas por buracos negros, etc.) quando medidas no Sistema Solar são muito pequenas (h = 10 −18-10 −23). Uma onda gravitacional fraca (linear), de acordo com a teoria geral da relatividade, transfere energia e momento, move-se à velocidade da luz, é transversal, quadrupolo e é descrita por dois componentes independentes localizados em um ângulo de 45° entre si ( tem duas direções de polarização).
Diferentes teorias prevêem a velocidade de propagação das ondas gravitacionais de maneira diferente. Na relatividade geral, é igual à velocidade da luz (na aproximação linear). Em outras teorias da gravidade, pode assumir qualquer valor, incluindo o infinito. De acordo com o primeiro registro de ondas gravitacionais, sua dispersão revelou-se compatível com um gráviton sem massa, e a velocidade foi estimada igual à velocidade da luz.

, EUA

Ondas gravitacionais são finalmente descobertas

Ciência popular

As oscilações no espaço-tempo são descobertas um século depois de Einstein as ter previsto. Uma nova era na astronomia começa.

Os cientistas descobriram flutuações no espaço-tempo causadas pela fusão de buracos negros. Isto aconteceu cem anos depois de Albert Einstein ter previsto estas “ondas gravitacionais” na sua teoria geral da relatividade, e cem anos depois de os físicos terem começado a procurá-las.

Esta descoberta marcante foi anunciada hoje por pesquisadores do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Eles confirmaram os rumores que cercavam a análise do primeiro conjunto de dados coletados em meses. Os astrofísicos dizem que a descoberta das ondas gravitacionais proporciona novos conhecimentos sobre o universo e a capacidade de reconhecer eventos distantes que não podem ser vistos com telescópios ópticos, mas que podem ser sentidos e até ouvidos à medida que as suas fracas vibrações nos chegam através do espaço.

“Detectamos ondas gravitacionais. Conseguimos!" “David Reitze, diretor executivo da equipe de pesquisa de 1.000 pessoas, anunciou hoje em uma conferência de imprensa em Washington, na National Science Foundation.

As ondas gravitacionais são talvez o fenómeno mais evasivo das previsões de Einstein, e o cientista debateu este tema com os seus contemporâneos durante décadas. Segundo sua teoria, o espaço e o tempo formam matéria extensível, que se curva sob a influência de objetos pesados. Sentir a gravidade significa cair nas curvas desta matéria. Mas será que esse espaço-tempo pode tremer como a pele de um tambor? Einstein estava confuso; ele não sabia o que suas equações significavam. E ele mudou seu ponto de vista várias vezes. Mas mesmo os mais ferrenhos defensores de sua teoria acreditavam que as ondas gravitacionais eram, de qualquer forma, fracas demais para serem observadas. Eles caem em cascata após certos cataclismos e, à medida que se movem, alternadamente esticam e comprimem o espaço-tempo. Mas quando estas ondas chegam à Terra, já se esticaram e comprimiram cada quilómetro de espaço numa pequena fracção do diâmetro de um núcleo atómico.

Detectar essas ondas exigiu paciência e cautela. O observatório LIGO disparou raios laser para frente e para trás ao longo dos braços angulares de quatro quilômetros de dois detectores, um em Hanford, Washington, e outro em Livingston, Louisiana. Isso foi feito em busca de expansões e contrações coincidentes desses sistemas durante a passagem das ondas gravitacionais. Usando estabilizadores de última geração, instrumentos de vácuo e milhares de sensores, os cientistas mediram mudanças no comprimento desses sistemas tão pequenas quanto um milésimo do tamanho de um próton. Tal sensibilidade dos instrumentos era impensável há cem anos. Também parecia incrível em 1968, quando Rainer Weiss, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, concebeu um experimento chamado LIGO.

“É um grande milagre que no final eles tenham conseguido. Eles foram capazes de detectar essas pequenas vibrações!” disse o físico teórico da Universidade de Arkansas Daniel Kennefick, que escreveu o livro de 2007 Viajando na velocidade do pensamento: Einstein e a Busca pelas Ondas Gravitacionais (Viajando na velocidade do pensamento. Einstein e a busca pelas ondas gravitacionais).

Esta descoberta marcou o início de uma nova era na astronomia das ondas gravitacionais. A esperança é que possamos compreender melhor a formação, a composição e o papel galáctico dos buracos negros – aquelas bolas de massa superdensas que curvam o espaço-tempo de forma tão dramática que nem mesmo a luz consegue escapar. Quando os buracos negros se aproximam e se fundem, produzem um sinal de pulso – oscilações espaço-temporais que aumentam em amplitude e tom antes de terminarem abruptamente. Os sinais que o observatório pode registrar estão na faixa de áudio – no entanto, são fracos demais para serem ouvidos pelo ouvido nu. Você pode recriar esse som passando os dedos pelas teclas do piano. “Comece com a nota mais baixa e vá subindo até a terceira oitava”, disse Weiss. "Isso é o que ouvimos."

Os físicos já estão surpresos com o número e a força dos sinais registrados em este momento. Isto significa que existem mais buracos negros no mundo do que se pensava anteriormente. “Tivemos sorte, mas sempre contei com esse tipo de sorte”, disse o astrofísico Kip Thorne, que trabalha no Instituto de Tecnologia da Califórnia e criou o LIGO com Weiss e Ronald Drever, também na Caltech. “Isso geralmente acontece quando uma janela completamente nova se abre no universo.”

Ao ouvir as ondas gravitacionais, podemos formar ideias completamente diferentes sobre o espaço e talvez descobrir fenômenos cósmicos inimagináveis.

“Posso comparar isto com a primeira vez que apontamos um telescópio para o céu”, disse a astrofísica teórica Janna Levin, do Barnard College, da Universidade de Columbia. “As pessoas perceberam que havia algo ali e que podia ser visto, mas não conseguiam prever a incrível gama de possibilidades que existem no universo.” Da mesma forma, observou Levine, a descoberta de ondas gravitacionais poderia mostrar que o universo está “cheio de matéria escura que não podemos detectar facilmente com um telescópio”.

A história da descoberta da primeira onda gravitacional começou na manhã de uma segunda-feira de setembro e começou com estrondo. O sinal foi tão claro e alto que Weiss pensou: “Não, isso é um absurdo, não vai dar em nada”.

Intensidade das emoções

Essa primeira onda gravitacional varreu os detectores atualizados do LIGO – primeiro em Livingston e sete milissegundos depois em Hanford – durante uma simulação realizada no início de 14 de setembro, dois dias antes do início oficial da coleta de dados.

Os detectores estavam sendo testados após uma atualização que durou cinco anos e custou US$ 200 milhões. Eles foram equipados com novas suspensões de espelho para redução de ruído e um sistema ativo opinião para suprimir vibrações estranhas em tempo real. A atualização deu ao observatório melhorado um nível de sensibilidade mais elevado do que o antigo LIGO, que entre 2002 e 2010 detectou “zero absoluto e puro”, como disse Weiss.

Quando o poderoso sinal chegou em Setembro, os cientistas na Europa, onde naquele momento era de manhã, começaram a bombardear apressadamente os seus colegas americanos com mensagens através de e-mail. Quando o resto do grupo acordou, a notícia se espalhou muito rapidamente. Segundo Weiss, quase todos ficaram céticos, principalmente quando viram o sinal. Era um verdadeiro clássico dos livros didáticos, e é por isso que algumas pessoas pensaram que era uma farsa.

Alegações falsas na busca por ondas gravitacionais têm sido feitas repetidamente desde o final da década de 1960, quando Joseph Weber, da Universidade de Maryland, pensou ter descoberto vibrações ressonantes num cilindro de alumínio contendo sensores em resposta às ondas. Em 2014, uma experiência chamada BICEP2 anunciou a descoberta de ondas gravitacionais primordiais – ondulações no espaço-tempo do Big Bang que agora se estenderam e ficaram permanentemente congeladas na geometria do universo. Cientistas da equipe BICEP2 anunciaram sua descoberta com grande alarde, mas depois seus resultados foram submetidos a uma verificação independente, durante a qual se descobriu que eles estavam errados e que o sinal vinha da poeira cósmica.

Quando o cosmólogo da Universidade Estadual do Arizona, Lawrence Krauss, ouviu falar da descoberta da equipe LIGO, ele inicialmente pensou que era uma “farsa cega”. Durante a operação do antigo observatório, sinais simulados foram inseridos sub-repticiamente em fluxos de dados para testar a resposta, sem que a maior parte da equipe soubesse disso. Quando Krauss soube por uma fonte bem informada que desta vez não seria um “lançamento às cegas”, ele mal conseguiu conter sua alegria e entusiasmo.

Em 25 de setembro, ele disse aos seus 200 mil seguidores no Twitter: “Rumores de uma onda gravitacional sendo detectada pelo detector LIGO. Incrível se for verdade. Eu lhe darei os detalhes se não for falso.” Isto é seguido por uma entrada de 11 de janeiro: “Rumores anteriores sobre o LIGO foram confirmados por fontes independentes. Acompanhe as novidades. Talvez ondas gravitacionais tenham sido descobertas!”

A posição oficial dos cientistas era a seguinte: não fale sobre o sinal recebido até que haja cem por cento de certeza. Thorne, de pés e mãos atados por esta obrigação de sigilo, nem sequer disse nada à esposa. “Comemorei sozinho”, disse ele. Para começar, os cientistas decidiram voltar ao início e analisar tudo antes os mínimos detalhes descobrir como o sinal se propagou através de milhares de canais de medição de diferentes detectores e entender se houve algo estranho quando o sinal foi detectado. Eles não encontraram nada de incomum. Eles também excluíram os hackers, que teriam o melhor conhecimento dos milhares de fluxos de dados do experimento. “Mesmo quando um time faz lançamentos às cegas, eles não são perfeitos o suficiente e deixam muitas marcas”, disse Thorne. “Mas não havia vestígios aqui.”

Nas semanas seguintes, ouviram outro sinal mais fraco.

Os cientistas analisaram os dois primeiros sinais e mais e mais novos sinais chegaram. Eles apresentaram sua pesquisa na revista Physical Review Letters em janeiro. Esta edição é publicada online hoje. De acordo com as suas estimativas, a significância estatística do primeiro e mais poderoso sinal excede 5 sigma, o que significa que os investigadores estão 99,9999% confiantes na sua autenticidade.

Ouvindo a gravidade

As equações da relatividade geral de Einstein são tão complexas que a maioria dos físicos levou 40 anos para concordar que, sim, as ondas gravitacionais existem e podem ser detectadas – mesmo teoricamente.

A princípio, Einstein pensou que os objetos não poderiam liberar energia na forma de radiação gravitacional, mas depois mudou de ponto de vista. No seu artigo histórico escrito em 1918, ele mostrou quais objetos poderiam fazer isso: sistemas em forma de halteres que giram em dois eixos simultaneamente, como binários e supernovas que explodem como fogos de artifício. Eles podem gerar ondas no espaço-tempo.

Mas Einstein e seus colegas continuaram hesitantes. Alguns físicos argumentaram que mesmo que existissem ondas, o mundo vibraria junto com elas e seria impossível senti-las. Foi só em 1957 que Richard Feynman pôs fim ao assunto, demonstrando numa experiência mental que, se existissem ondas gravitacionais, elas poderiam, teoricamente, ser detectadas. Mas ninguém sabia quão comuns eram estes sistemas em forma de halteres no espaço sideral, ou quão fortes ou fracas eram as ondas resultantes. “Em última análise, a questão era: algum dia seremos capazes de detectá-los?” disse Kennefick.

Em 1968, Rainer Weiss era um jovem professor no MIT e foi designado para ministrar um curso sobre relatividade geral. Sendo um experimentalista, ele sabia pouco sobre isso, mas de repente surgiram notícias sobre a descoberta das ondas gravitacionais por Weber. Weber construiu três detectores de ressonância de alumínio do tamanho de uma mesa e os colocou em diferentes estados americanos. Agora ele relatou que todos os três detectores detectaram “o som de ondas gravitacionais”.

Os alunos de Weiss foram convidados a explicar a natureza das ondas gravitacionais e a expressar a sua opinião sobre a mensagem. Estudando os detalhes, ficou surpreso com a complexidade dos cálculos matemáticos. “Eu não conseguia entender o que diabos Weber estava fazendo, como os sensores interagiam com a onda gravitacional. Fiquei sentado por um longo tempo e me perguntei: “Qual é a coisa mais primitiva que posso inventar para detectar ondas gravitacionais?” E então tive uma ideia que chamo de base conceitual do LIGO.

Imagine três objetos no espaço-tempo, digamos, espelhos nos cantos de um triângulo. “Envie um sinal luminoso de um para o outro”, disse Weber. “Veja quanto tempo leva para passar de uma massa para outra e verifique se o tempo mudou.” Acontece que, observou o cientista, isso pode ser feito rapidamente. “Dediquei isso aos meus alunos como um trabalho de pesquisa. Literalmente, todo o grupo foi capaz de fazer esses cálculos.”

Nos anos seguintes, enquanto outros pesquisadores tentavam replicar os resultados do experimento do detector de ressonância de Weber, mas falhavam continuamente (não está claro o que ele observou, mas não eram ondas gravitacionais), Weiss começou a preparar um experimento muito mais preciso e ambicioso: um experimento gravitacional. interferômetro de onda. O feixe de laser é refletido por três espelhos instalados no formato da letra “L” e forma dois feixes. O intervalo entre os picos e vales das ondas de luz indica com precisão o comprimento das pernas da letra “L”, que criam os eixos X e Y do espaço-tempo. Quando a escala está estacionária, as duas ondas de luz são refletidas nos cantos e se anulam. O sinal no detector é zero. Mas se uma onda gravitacional passa pela Terra, ela estica o comprimento de um braço da letra “L” e comprime o comprimento do outro (e vice-versa). A incompatibilidade dos dois feixes de luz cria um sinal no detector, indicando pequenas flutuações no espaço-tempo.

No início, os colegas físicos expressaram cepticismo, mas a experiência rapidamente ganhou o apoio de Thorne, cuja equipa de teóricos do Caltech estava a estudar buracos negros e outras fontes potenciais de ondas gravitacionais, bem como os sinais que eles geram. Thorne foi inspirado pelo experimento de Weber e por esforços semelhantes de cientistas russos. Depois de conversar com Weiss numa conferência em 1975, “comecei a acreditar que a detecção de ondas gravitacionais seria bem-sucedida”, disse Thorne. “E eu queria que a Caltech também fizesse parte disso.” Ele conseguiu que o instituto contratasse o experimentalista escocês Ronald Dreaver, que também disse que construiria um interferômetro de ondas gravitacionais. Com o tempo, Thorne, Driver e Weiss começaram a trabalhar em equipe, cada um resolvendo sua parte na miríade de problemas em preparação para o experimento prático. O trio criou o LIGO em 1984 e, assim que os protótipos foram construídos e a colaboração começou dentro de uma equipe em constante expansão, eles receberam US$ 100 milhões em financiamento da National Science Foundation no início da década de 1990. Foram elaborados projetos para a construção de um par de detectores gigantes em forma de L. Uma década depois, os detectores começaram a funcionar.

Em Hanford e Livingston, no centro de cada um dos braços detectores de quatro quilômetros há um vácuo, graças ao qual o laser, seu feixe e espelhos são isolados ao máximo das vibrações constantes do planeta. Para estarem ainda mais seguros, os cientistas do LIGO monitorizam os seus detectores enquanto operam com milhares de instrumentos, medindo tudo o que podem: actividade sísmica, Pressão atmosférica, relâmpagos, aparecimento de raios cósmicos, vibração de equipamentos, sons na área do feixe de laser e assim por diante. Eles então filtram seus dados a partir desse ruído de fundo estranho. Talvez o principal seja que possuem dois detectores, o que lhes permite comparar os dados recebidos, verificando-os quanto à presença de sinais correspondentes.

Contexto

Ondas gravitacionais: completou o que Einstein começou em Berna

SwissInfo 13/02/2016

Como os buracos negros morrem

Médio 19/10/2014
Dentro do vácuo criado, mesmo com os lasers e espelhos completamente isolados e estabilizados, “coisas estranhas acontecem o tempo todo”, diz Marco Cavaglià, porta-voz adjunto do LIGO. Os cientistas devem rastrear esses "peixinhos dourados", "fantasmas", "monstros marinhos obscuros" e outros fenômenos vibracionais estranhos, descobrindo sua origem para eliminá-los. Um incidente difícil ocorreu durante a fase de testes, disse a cientista pesquisadora do LIGO, Jessica McIver, que estuda esses sinais estranhos e interferências. Uma série de ruídos periódicos de frequência única aparecia frequentemente entre os dados. Quando ela e seus colegas converteram as vibrações dos espelhos em arquivos de áudio, “o telefone pôde ser ouvido claramente tocando”, disse McIver. “Descobriu-se que eram os anunciantes de comunicações que faziam ligações dentro da sala de laser.”

Nos próximos dois anos, os cientistas continuarão a melhorar a sensibilidade dos detectores atualizados do Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser do LIGO. E na Itália, um terceiro interferômetro chamado Advanced Virgo começará a operar. Uma das respostas que os dados ajudarão a fornecer é como os buracos negros se formam. Serão eles um produto do colapso das primeiras estrelas massivas ou serão produzidos por colisões dentro de aglomerados estelares densos? “São apenas dois palpites, acredito que haverá mais quando todos se acalmarem”, diz Weiss. À medida que o próximo trabalho do LIGO começar a acumular novas estatísticas, os cientistas começarão a ouvir as histórias que o cosmos lhes sussurra sobre as origens dos buracos negros.

A julgar pela sua forma e tamanho, o primeiro e mais forte pulso originou-se a 1,3 bilhão de anos-luz de onde, após uma eternidade de dança lenta, dois buracos negros, cada um com cerca de 30 vezes a massa do Sol, finalmente se fundiram sob a influência da gravitação mútua. atração. Os buracos negros circulavam cada vez mais rápido, como um redemoinho, aproximando-se gradualmente. Então ocorreu a fusão e, num piscar de olhos, eles liberaram ondas gravitacionais com energia comparável à de três sóis. Esta fusão foi o fenômeno energético mais poderoso já registrado.

“É como se nunca tivéssemos visto o oceano durante uma tempestade”, disse Thorne. Ele estava esperando por esta tempestade no espaço-tempo desde a década de 1960. A sensação que Thorne sentiu quando as ondas surgiram não foi exatamente de excitação, diz ele. Era outra coisa: um sentimento de profunda satisfação.

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Ontem o mundo ficou chocado com uma sensação: os cientistas finalmente descobriram as ondas gravitacionais, cuja existência Einstein previu há cem anos. Isto é um avanço. A distorção do espaço-tempo (são ondas gravitacionais - agora vamos explicar o que é o quê) foi descoberta no observatório LIGO, e um de seus fundadores é - quem você acha? - Kip Thorne, autor do livro.

Contamos por que a descoberta das ondas gravitacionais é tão importante, o que Mark Zuckerberg disse e, claro, compartilhamos a história na primeira pessoa. Kip Thorne, como ninguém, sabe como funciona o projeto, o que o torna incomum e qual o significado do LIGO para a humanidade. Sim, sim, tudo é tão sério.

Descoberta de ondas gravitacionais

O mundo científico se lembrará para sempre da data 11 de fevereiro de 2016. Neste dia, os participantes do projeto LIGO anunciaram: depois de tantas tentativas inúteis, foram encontradas ondas gravitacionais. Isso é realidade. Na verdade, foram descobertos um pouco antes: em setembro de 2015, mas ontem a descoberta foi oficialmente reconhecida. O Guardian acredita que os cientistas certamente receberão o Prêmio Nobel de Física.

A causa das ondas gravitacionais é a colisão de dois buracos negros, que já ocorreu... a um bilhão de anos-luz da Terra. Você pode imaginar o quão grande é o nosso Universo! Como os buracos negros são corpos muito massivos, eles enviam ondulações através do espaço-tempo, distorcendo-o ligeiramente. É assim que surgem ondas, semelhantes às que se espalham a partir de uma pedra atirada na água.

É assim que você pode imaginar ondas gravitacionais chegando à Terra, por exemplo, de um buraco de minhoca. Desenho do livro “Interestelar. Ciência nos bastidores"

As vibrações resultantes foram convertidas em som. Curiosamente, o sinal das ondas gravitacionais chega aproximadamente na mesma frequência da nossa fala. Assim, podemos ouvir com nossos próprios ouvidos como os buracos negros colidem. Ouça como são as ondas gravitacionais.

E adivinha? Mais recentemente, os buracos negros não estão estruturados como se pensava anteriormente. Mas não havia nenhuma evidência de que eles existissem em princípio. E agora existe. Os buracos negros realmente “vivem” no Universo.

É assim que os cientistas acreditam que se parece uma catástrofe – uma fusão de buracos negros.

No dia 11 de fevereiro foi realizada uma grandiosa conferência, que reuniu mais de mil cientistas de 15 países. Cientistas russos também estiveram presentes. E, claro, havia Kip Thorne. “Esta descoberta é o início de uma busca incrível e magnífica para as pessoas: a busca e exploração do lado curvo do Universo - objetos e fenômenos criados a partir de espaço-tempo distorcido. Colisões de buracos negros e ondas gravitacionais são os nossos primeiros exemplos notáveis”, disse Kip Thorne.

A busca por ondas gravitacionais tem sido um dos principais problemas da física. Agora eles foram encontrados. E a genialidade de Einstein é novamente confirmada.

Em outubro, entrevistamos Sergei Popov, astrofísico russo e famoso divulgador da ciência. Ele parecia estar olhando para a água! No outono: “Parece-me que estamos agora no limiar de novas descobertas, que estão principalmente associadas ao trabalho dos detectores de ondas gravitacionais LIGO e VIRGO (Kip Thorne deu uma grande contribuição para a criação do projeto LIGO) .” Incrível, certo?

Ondas gravitacionais, detectores de ondas e LIGO

Bem, agora um pouco de física. Para quem realmente quer entender o que são ondas gravitacionais. Aqui imagem artística linhas tendex de dois buracos negros que orbitam um ao outro no sentido anti-horário e depois colidem. As linhas Tendex geram a gravidade das marés. Vá em frente. As linhas, que emanam dos dois pontos mais distantes um do outro na superfície de um par de buracos negros, estendem tudo em seu caminho, inclusive o amigo do artista no desenho. As linhas que emanam da área de colisão comprimem tudo.

À medida que os buracos giram em torno um do outro, eles seguem suas linhas de tendência, que lembram jatos de água de um aspersor giratório em um gramado. Na foto do livro “Interestelar. Ciência nos bastidores" - um par de buracos negros que colidem, girando um em torno do outro no sentido anti-horário, e suas linhas de tendência.

Os buracos negros se fundem em um grande buraco; ele é deformado e gira no sentido anti-horário, arrastando consigo linhas de tendência. Um observador estacionário longe do buraco sentirá vibrações à medida que as linhas de tendência passam por ele: alongamento, depois compressão e depois alongamento - as linhas de tendência tornaram-se uma onda gravitacional. À medida que as ondas se propagam, a deformação do buraco negro diminui gradualmente e as ondas também enfraquecem.

Quando essas ondas atingem a Terra, elas se parecem com a mostrada no topo da figura abaixo. Eles se esticam em uma direção e se comprimem na outra. As extensões e contrações flutuam (do vermelho direita-esquerda, para o azul direita-esquerda, para o vermelho direita-esquerda, etc.) à medida que as ondas passam pelo detector na parte inferior da figura.

Ondas gravitacionais passando pelo detector LIGO.

O detector consiste em quatro grandes espelhos (40 quilogramas e 34 centímetros de diâmetro), que são fixados nas extremidades de dois tubos perpendiculares, chamados braços detectores. Linhas tendenciosas de ondas gravitacionais esticam um braço, enquanto comprimem o segundo, e então, ao contrário, comprimem o primeiro e esticam o segundo. E assim de novo e de novo. À medida que o comprimento dos braços muda periodicamente, os espelhos se deslocam um em relação ao outro, e esses deslocamentos são rastreados por meio de feixes de laser de uma forma chamada interferometria. Daí o nome LIGO: Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser.

Centro de controle LIGO, de onde enviam comandos ao detector e monitoram os sinais recebidos. Os detectores de gravidade do LIGO estão localizados em Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana. Foto do livro “Interestelar. Ciência nos bastidores"

Agora o LIGO é um projeto internacional no qual 900 cientistas de países diferentes, com sede localizada no Instituto de Tecnologia da Califórnia.

O lado curvo do universo

Buracos negros, buracos de minhoca, singularidades, anomalias gravitacionais e dimensões ordem superior associada à curvatura do espaço e do tempo. É por isso que Kip Thorne os chama de “o lado distorcido do universo”. A humanidade ainda possui muito poucos dados experimentais e observacionais do lado curvo do Universo. É por isso que prestamos tanta atenção às ondas gravitacionais: elas são feitas de espaço curvo e fornecem a forma mais acessível de explorarmos o lado curvo.

Imagine se você só visse o oceano quando ele estava calmo. Você não saberia sobre correntes, redemoinhos e ondas de tempestade. Isto é uma reminiscência do nosso conhecimento atual sobre a curvatura do espaço e do tempo.

Não sabemos quase nada sobre como o espaço curvo e o tempo curvo se comportam “durante uma tempestade” – quando a forma do espaço flutua violentamente e quando a velocidade do tempo flutua. Esta é uma fronteira de conhecimento incrivelmente atraente. O cientista John Wheeler cunhou o termo "geometrodinâmica" para essas mudanças.

De particular interesse no campo da geometrodinâmica é a colisão de dois buracos negros.

Colisão de dois buracos negros não rotativos. Modelo do livro “Interestelar. Ciência nos bastidores"

A imagem acima mostra o momento em que dois buracos negros colidem. Foi exatamente esse evento que permitiu aos cientistas registrar ondas gravitacionais. Este modelo foi construído para buracos negros não rotativos. Acima: órbitas e sombras de buracos, vistos do nosso Universo. Meio: espaço e tempo curvos, vistos do volume (hiperespaço multidimensional); As setas mostram como o espaço está envolvido no movimento e as mudanças de cores mostram como o tempo é distorcido. Abaixo: A forma das ondas gravitacionais emitidas.

Ondas gravitacionais do Big Bang

Para Kip Thorne. “Em 1975, Leonid Grischuk, meu bom amigo da Rússia, fez uma declaração sensacional. Ele disse que no momento do Big Bang surgiram muitas ondas gravitacionais, e o mecanismo de sua origem (até então desconhecido) foi o seguinte: flutuações quânticas (flutuações aleatórias - nota do editor) os campos gravitacionais durante o Big Bang foram grandemente aumentados pela expansão inicial do Universo e assim se tornaram as ondas gravitacionais originais. Estas ondas, se detectadas, poderão dizer-nos o que aconteceu no nascimento do nosso Universo."

Se os cientistas encontrarem as ondas gravitacionais primordiais, saberemos como o Universo começou.

As pessoas resolveram até agora todos os mistérios do Universo. Há mais por vir.

Nos anos subsequentes, à medida que a nossa compreensão do Big Bang melhorou, tornou-se óbvio que estas ondas primordiais devem ser fortes em comprimentos de onda proporcionais ao tamanho do Universo visível, ou seja, em comprimentos de milhares de milhões de anos-luz. Você pode imaginar quanto isso custa?.. E nos comprimentos de onda que os detectores LIGO cobrem (centenas e milhares de quilômetros), as ondas provavelmente serão fracas demais para serem reconhecidas.

A equipe de Jamie Bock construiu o aparelho BICEP2, com o qual foi descoberto o traço das ondas gravitacionais originais. O dispositivo localizado no Pólo Norte é mostrado aqui durante o crepúsculo, que ocorre ali apenas duas vezes por ano.

Dispositivo BICEP2. Imagem do livro Interestelar. Ciência nos bastidores"

Ele é cercado por escudos que protegem o dispositivo da radiação da cobertura de gelo circundante. À direita canto superior mostra um traço descoberto na radiação cósmica de fundo em micro-ondas - um padrão de polarização. As linhas do campo elétrico são direcionadas ao longo de curtos traços de luz.

Traço do início do universo

No início dos anos noventa, os cosmólogos perceberam que estas ondas gravitacionais, com milhares de milhões de anos-luz de comprimento, teriam deixado uma marca única na Terra. ondas eletromagnéticas preenchendo o Universo - na chamada radiação cósmica de fundo em micro-ondas, ou radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Isso deu início à busca pelo Santo Graal. Afinal, se detectarmos esse traço e dele deduzirmos as propriedades das ondas gravitacionais originais, poderemos descobrir como nasceu o Universo.

Em março de 2014, enquanto Kip Thorne escrevia este livro, a equipe de Jamie Bok, um cosmólogo da Caltech cujo escritório fica ao lado do de Thorne, finalmente descobriu esse traço na radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

Esta é uma descoberta absolutamente surpreendente, mas há um ponto controverso: o vestígio encontrado pela equipa de Jamie pode ter sido causado por outra coisa que não ondas gravitacionais.

Se for realmente encontrado um vestígio das ondas gravitacionais que surgiram durante o Big Bang, isso significa que ocorreu uma descoberta cosmológica a um nível que acontece talvez uma vez a cada meio século. Dá a você a chance de tocar nos eventos que ocorreram um trilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo após o nascimento do Universo.

Essa descoberta confirma teorias de que a expansão do Universo naquele momento foi extremamente rápida, na gíria dos cosmólogos – rápida inflacionária. E anuncia o advento de uma nova era na cosmologia.

Ondas gravitacionais e interestelares

Ontem, em uma conferência sobre a descoberta de ondas gravitacionais, Valery Mitrofanov, chefe da colaboração de cientistas LIGO de Moscou, que inclui 8 cientistas da Universidade Estadual de Moscou, observou que o enredo do filme “Interestelar”, embora fantástico, não é tão longe da realidade. E tudo porque Kip Thorne era o consultor científico. O próprio Thorne expressou esperança de acreditar em futuros voos tripulados para um buraco negro. Podem não acontecer tão cedo quanto gostaríamos, mas hoje são muito mais reais do que antes.

Não está muito longe o dia em que as pessoas deixarão os confins da nossa galáxia.

O evento mexeu com a mente de milhões de pessoas. O notório Mark Zuckerberg escreveu: “A detecção de ondas gravitacionais é a mais grande descoberta na ciência moderna. Albert Einstein é um dos meus heróis, e é por isso que levei a descoberta tão pessoalmente. Há um século, no âmbito da Teoria da Relatividade Geral (GTR), ele previu a existência de ondas gravitacionais. Mas são tão pequenos para serem detectados que passou a procurá-los nas origens de eventos como o Big Bang, explosões estelares e colisões de buracos negros. Quando os cientistas analisam os dados obtidos, um perfeito Um novo visual para o espaço. E talvez isso esclareça a origem do Universo, o nascimento e o desenvolvimento dos buracos negros. É muito inspirador pensar em quantas vidas e esforços foram necessários para desvendar este mistério do Universo. Este avanço tornou-se possível graças ao talento de cientistas e engenheiros brilhantes, pessoas nacionalidades diferentes, bem como as mais recentes tecnologias de informática que surgiram apenas recentemente. Parabéns a todos os envolvidos. Einstein ficaria orgulhoso de você."

Este é o discurso. E esta é uma pessoa que está simplesmente interessada em ciência. Pode-se imaginar a tempestade de emoções que tomou conta dos cientistas que contribuíram para a descoberta. Parece que testemunhamos uma nova era, amigos. Isso é incrível.

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Na quinta-feira, 11 de fevereiro, um grupo de cientistas do projeto internacional LIGO Scientific Collaboration anunciou o sucesso, cuja existência foi prevista por Albert Einstein em 1916. Segundo os pesquisadores, em 14 de setembro de 2015, eles registraram uma onda gravitacional causada pela colisão de dois buracos negros pesando 29 e 36 vezes a massa do Sol, após a qual eles se fundiram em um grande buraco negro. Segundo eles, isso supostamente aconteceu há 1,3 bilhão de anos, a uma distância de 410 Megaparsecs da nossa galáxia.

LIGA.net falou detalhadamente sobre ondas gravitacionais e a descoberta em grande escala Bogdan Hnatyk, cientista ucraniano, astrofísico, doutor em ciências físicas e matemáticas, pesquisador líder do Observatório Astronômico de Kiev Universidade Nacional em homenagem a Taras Shevchenko, que chefiou o observatório de 2001 a 2004.

Teoria em termos simples

A física estuda a interação entre os corpos. Foi estabelecido que existem quatro tipos de interação entre os corpos: eletromagnética, interação nuclear forte e fraca e interação gravitacional, que todos sentimos. Devido à interação gravitacional, os planetas giram em torno do Sol, os corpos têm peso e caem no solo. Os humanos são constantemente confrontados com interação gravitacional.

Em 1916, há 100 anos, Albert Einstein construiu uma teoria da gravidade que melhorou a teoria da gravidade de Newton, tornou-a matematicamente correta: começou a atender a todos os requisitos da física e começou a levar em conta o fato de que a gravidade se propaga a uma velocidade muito velocidade alta, mas finita. Esta é justamente uma das maiores conquistas de Einstein, já que ele construiu uma teoria da gravidade que corresponde a todos os fenômenos da física que observamos hoje.

Esta teoria também sugeriu a existência ondas gravitacionais. A base desta previsão era que as ondas gravitacionais existem como resultado da interação gravitacional que ocorre devido à fusão de dois corpos massivos.

O que é uma onda gravitacional

Lingua dificil esta é a excitação da métrica espaço-tempo. “Digamos que o espaço tem uma certa elasticidade e as ondas podem passar por ele. É semelhante a quando jogamos uma pedra na água e as ondas se espalham”, disse o doutor em ciências físicas e matemáticas ao LIGA.net.

Os cientistas conseguiram provar experimentalmente que uma oscilação semelhante ocorreu no Universo e uma onda gravitacional correu em todas as direções. “Astrofisicamente, pela primeira vez, foi registrado o fenômeno de uma evolução tão catastrófica de um sistema binário, quando dois objetos se fundem em um, e essa fusão leva a uma liberação muito intensa de energia gravitacional, que então se espalha no espaço na forma de ondas gravitacionais”, explicou o cientista.

Como é (foto - EPA)

Essas ondas gravitacionais são muito fracas e para que agitem o espaço-tempo é necessária a interação de corpos muito grandes e massivos para que a intensidade do campo gravitacional seja alta no ponto de geração. Mas, apesar de sua fraqueza, o observador após um certo tempo (igual à distância até a interação dividida pela velocidade do sinal) registrará essa onda gravitacional.

Vamos dar um exemplo: se a Terra caísse sobre o Sol, então ocorreria a interação gravitacional: a energia gravitacional seria liberada, uma onda gravitacional esfericamente simétrica se formaria, e o observador seria capaz de registrá-la. “Um fenômeno semelhante, mas único, do ponto de vista da astrofísica, ocorreu aqui: dois corpos massivos colidiram - dois buracos negros”, observou Gnatyk.

Vamos voltar à teoria

Um buraco negro é outra previsão da teoria geral da relatividade de Einstein, que prevê que um corpo que possui uma massa enorme, mas essa massa está concentrada em um pequeno volume, é capaz de distorcer significativamente o espaço ao seu redor, até o seu fechamento. Ou seja, foi assumido que quando uma concentração crítica da massa deste corpo for atingida - tal que o tamanho do corpo seja menor que o chamado raio gravitacional, então o espaço ao redor deste corpo será fechado e sua topologia será tal que nenhum sinal dele se espalhará além do espaço fechado não pode.

“Ou seja, um buraco negro, em palavras simples, é um objeto massivo tão pesado que fecha o espaço-tempo em torno de si”, diz o cientista.

E nós, segundo ele, podemos enviar quaisquer sinais para esse objeto, mas ele não pode enviá-los para nós. Ou seja, nenhum sinal pode ir além do buraco negro.

Um buraco negro vive de acordo com as leis físicas comuns, mas como resultado da forte gravidade, nem um único corpo material, nem mesmo um fóton, é capaz de ultrapassar essa superfície crítica. Os buracos negros são formados durante a evolução das estrelas comuns, quando o núcleo central entra em colapso e parte da matéria da estrela, em colapso, se transforma em um buraco negro, e a outra parte da estrela é ejetada na forma de uma concha de supernova, transformando-se em a chamada “explosão” de uma Supernova.

Como vimos a onda gravitacional

Vamos dar um exemplo. Quando temos dois flutuadores na superfície da água e a água está calma, a distância entre eles é constante. Quando uma onda chega, ela desloca esses flutuadores e a distância entre os flutuadores muda. A onda passou - e os flutuadores voltam às suas posições anteriores, e a distância entre eles é restaurada.

Uma onda gravitacional se propaga no espaço-tempo de maneira semelhante: comprime e estica corpos e objetos que se encontram em seu caminho. “Quando um determinado objeto é encontrado ao longo do caminho de uma onda, ele se deforma ao longo de seus eixos e, após sua passagem, retorna à sua forma anterior. Sob a influência de uma onda gravitacional, todos os corpos são deformados, mas essas deformações são muito. insignificante”, diz Gnatyk.

Quando a onda que os cientistas registraram passou, o tamanho relativo dos corpos no espaço mudou em uma quantidade da ordem de 1 vezes 10 elevado a menos 21ª potência. Por exemplo, se você pegar uma régua métrica, ela encolheu em um valor que é seu tamanho multiplicado por 10 elevado a menos 21ª potência. Esta é uma quantia muito pequena. E o problema era que os cientistas precisavam aprender a medir esta distância. Os métodos convencionais forneceram uma precisão da ordem de 1 em 10 elevado à 9ª potência de milhões, mas aqui é necessária uma precisão muito maior. Para tanto, foram criadas as chamadas antenas gravitacionais (detectores de ondas gravitacionais).

Observatório LIGO (foto - EPA)

A antena que registrava as ondas gravitacionais é construída desta forma: são dois tubos, de aproximadamente 4 quilômetros de comprimento, localizados no formato da letra “L”, mas com os mesmos braços e em ângulo reto. Quando uma onda gravitacional atinge um sistema, ela deforma as asas da antena, mas dependendo da sua orientação, deforma mais uma e outra menos. E então surge uma diferença de caminho, o padrão de interferência do sinal muda - aparece uma amplitude total positiva ou negativa.

“Ou seja, a passagem de uma onda gravitacional é semelhante a uma onda na água passando entre dois flutuadores: se medissemos a distância entre eles durante e após a passagem da onda, veríamos que a distância mudaria, e então se tornaria a mesma coisa de novo”, disse ele Gnatyk.

Aqui, é medida a mudança relativa na distância das duas asas do interferômetro, cada uma com cerca de 4 quilômetros de comprimento. E apenas tecnologias e sistemas muito precisos podem medir esse deslocamento microscópico das asas causado por uma onda gravitacional.

No limite do Universo: de onde veio a onda?

Os cientistas registraram o sinal por meio de dois detectores, que estão localizados em dois estados dos Estados Unidos: Louisiana e Washington, a uma distância de cerca de 3 mil quilômetros. Os cientistas conseguiram estimar de onde e de que distância veio esse sinal. As estimativas mostram que o sinal veio de uma distância de 410 Megaparsecs. Um megaparsec é a distância que a luz percorre em três milhões de anos.

Para ficar mais fácil de imaginar: a galáxia ativa mais próxima de nós com um buraco negro supermassivo no centro é Centaurus A, que está localizada a uma distância de quatro Megaparsecs da nossa, enquanto a Nebulosa de Andrômeda está a uma distância de 0,7 Megaparsecs. “Ou seja, a distância de onde veio o sinal da onda gravitacional é tão grande que o sinal viajou até a Terra por aproximadamente 1,3 bilhão de anos. São distâncias cosmológicas que atingem cerca de 10% do horizonte do nosso Universo”, disse o cientista.

A esta distância, em alguma galáxia distante, dois buracos negros se fundiram. Esses buracos, por um lado, eram de tamanho relativamente pequeno e, por outro lado, a grande amplitude do sinal indica que eram muito pesados. Foi estabelecido que suas massas eram de 36 e 29 massas solares, respectivamente. A massa do Sol, como se sabe, é igual a 2 vezes 10 elevado à 30ª potência de um quilograma. Após a fusão, esses dois corpos se fundiram e agora em seu lugar se formou um único buraco negro, que tem massa igual a 62 massas solares. Ao mesmo tempo, aproximadamente três massas do Sol foram espirradas na forma de energia de ondas gravitacionais.

Quem fez a descoberta e quando

Cientistas do projeto internacional LIGO conseguiram detectar uma onda gravitacional em 14 de setembro de 2015. LIGO (Observatório de Gravitação por Interferometria Laser)- Esse projeto internacional, que conta com a participação de vários estados que deram um certo contributo financeiro e científico, nomeadamente os EUA, Itália, Japão, que estão avançados no domínio desta investigação.

Professores Rainer Weiss e Kip Thorne (foto - EPA)

Foi registrada a seguinte imagem: as asas do detector gravitacional se deslocaram em decorrência da própria passagem de uma onda gravitacional pelo nosso planeta e por esta instalação. Isso não foi informado na época, pois o sinal teve que ser processado, “limpo”, sua amplitude encontrada e verificada. Este é um procedimento padrão: desde a descoberta propriamente dita até ao anúncio da descoberta, são necessários vários meses para emitir uma declaração fundamentada. “Ninguém quer estragar sua reputação. Todos esses dados são secretos, antes da publicação dos quais ninguém sabia, havia apenas rumores”, observou Hnatyk.

História

As ondas gravitacionais são estudadas desde a década de 70 do século passado. Durante este tempo, vários detectores foram criados e uma série de pesquisa básica. Na década de 80, o cientista americano Joseph Weber construiu a primeira antena gravitacional em forma de cilindro de alumínio, com cerca de vários metros de tamanho, equipada com sensores piezoelétricos que deveriam registrar a passagem de uma onda gravitacional.

A sensibilidade deste dispositivo era um milhão de vezes pior que a dos detectores atuais. E, claro, ele não conseguiu realmente detectar a onda, embora Weber declarasse que tinha feito isso: a imprensa escreveu sobre isso e ocorreu um “boom gravitacional” - o mundo imediatamente começou a construir antenas gravitacionais. Weber encorajou outros cientistas a abordar as ondas gravitacionais e continuar os experimentos com esse fenômeno, o que possibilitou aumentar um milhão de vezes a sensibilidade dos detectores.

No entanto, o próprio fenômeno das ondas gravitacionais foi registrado no século passado, quando os cientistas descobriram um pulsar duplo. Este foi um registro indireto da existência de ondas gravitacionais, comprovado por observações astronômicas. O pulsar foi descoberto por Russell Hulse e Joseph Taylor em 1974 durante observações com o radiotelescópio do Observatório de Arecibo. Cientistas foram premiados premio Nobel em 1993 “pela descoberta de um novo tipo de pulsares, que proporcionou novas oportunidades no estudo da gravidade”.

Pesquisa no mundo e na Ucrânia

Na Itália, um projeto semelhante chamado Virgo está em fase de conclusão. O Japão também pretende lançar um detector semelhante dentro de um ano, e a Índia também está preparando tal experiência. Ou seja, detectores semelhantes existem em muitas partes do mundo, mas ainda não atingiram o modo de sensibilidade para que possamos falar em detecção de ondas gravitacionais.

“Oficialmente, a Ucrânia não faz parte do LIGO e também não participa nos projetos italiano e japonês. Entre essas áreas fundamentais, a Ucrânia participa agora no projeto LHC (Large Hadron Collider) e no CERN (nos tornaremos oficialmente participantes apenas). depois de pagar a taxa de entrada) ", disse o Doutor em Ciências Físicas e Matemáticas Bohdan Gnatyk ao LIGA.net.

Segundo ele, desde 2015 a Ucrânia é membro pleno da colaboração internacional CTA (Cerenkov Telescope Array), que está construindo um moderno multitelescópio TeV longo alcance gama (com energias de fótons de até 1014 eV). “As principais fontes de tais fótons são justamente a vizinhança de buracos negros supermassivos, cuja radiação gravitacional foi registrada pela primeira vez pelo detector LIGO. Portanto, a abertura de novas janelas na astronomia - onda gravitacional e multi TeV“A tecnologia eletromagnética nogo nos promete muito mais descobertas no futuro”, acrescenta o cientista.

O que vem a seguir e como o novo conhecimento ajudará as pessoas? Os cientistas discordam. Alguns dizem que este é apenas o próximo passo na compreensão dos mecanismos do Universo. Outros vêem isto como os primeiros passos em direção a novas tecnologias para avançar no tempo e no espaço. De uma forma ou de outra, esta descoberta provou mais uma vez quão pouco entendemos e quanto ainda resta a aprender.

Cem anos depois da previsão teórica feita por Albert Einstein no âmbito da teoria geral da relatividade, os cientistas conseguiram confirmar a existência de ondas gravitacionais. A era de um método fundamentalmente novo para estudar o espaço profundo – a astronomia das ondas gravitacionais – começa.

Existem diferentes descobertas. Existem aleatórios, são comuns na astronomia. Não há casos inteiramente acidentais, feitos como resultado de uma “varredura da área” completa, como a descoberta de Urano por William Herschel. Existem os fortuitos - quando procuravam uma coisa e encontravam outra: por exemplo, descobriram a América. Mas as descobertas planejadas ocupam um lugar especial na ciência. Eles são baseados em uma previsão teórica clara. O que é previsto é buscado principalmente para confirmar a teoria. Essas descobertas incluem a descoberta do bóson de Higgs no Large Hadron Collider e a detecção de ondas gravitacionais usando o interferômetro laser do observatório de ondas gravitacionais LIGO. Mas para registrar algum fenômeno previsto pela teoria, é preciso ter um bom entendimento do que exatamente e onde procurar, bem como quais ferramentas são necessárias para isso.

As ondas gravitacionais são tradicionalmente chamadas de previsão da teoria da relatividade geral (GTR), e isso é verdade (embora agora tais ondas existam em todos os modelos que são alternativos ou complementares à GTR). O aparecimento de ondas é causado pela finitude da velocidade de propagação da interação gravitacional (na relatividade geral essa velocidade é exatamente igual à velocidade da luz). Tais ondas são perturbações no espaço-tempo que se propagam a partir de uma fonte. Para que as ondas gravitacionais ocorram, a fonte deve pulsar ou mover-se a uma taxa acelerada, mas de certa forma. Digamos que movimentos com simetria esférica ou cilíndrica perfeita não sejam adequados. Existem muitas dessas fontes, mas muitas vezes elas têm uma massa pequena, insuficiente para gerar um sinal poderoso. Afinal, a gravidade é a mais fraca das quatro interações fundamentais, por isso é muito difícil registrar um sinal gravitacional. Além disso, para o registro é necessário que o sinal mude rapidamente ao longo do tempo, ou seja, tenha uma frequência suficientemente alta. Caso contrário, não poderemos registrá-lo, pois as alterações serão muito lentas. Isto significa que os objetos também devem ser compactos.

Inicialmente, grande entusiasmo foi gerado pelas explosões de supernovas que ocorrem em galáxias como a nossa a cada poucas décadas. Isto significa que se conseguirmos atingir uma sensibilidade que nos permita ver um sinal a uma distância de vários milhões de anos-luz, poderemos contar com vários sinais por ano. Mais tarde, porém, descobriu-se que as estimativas iniciais do poder de liberação de energia na forma de ondas gravitacionais durante uma explosão de supernova eram muito otimistas, e um sinal tão fraco só poderia ser detectado se uma supernova tivesse eclodido em nossa Galáxia.

Outra opção para objetos compactos massivos que se movem rapidamente são estrelas de nêutrons ou buracos negros. Podemos ver o processo de sua formação ou o processo de interação entre si. Os últimos estágios do colapso dos núcleos estelares, levando à formação de objetos compactos, bem como os últimos estágios da fusão de estrelas de nêutrons e buracos negros, têm uma duração da ordem de vários milissegundos (o que corresponde a uma frequência de centenas de hertz) - exatamente o que é necessário. Nesse caso, muita energia é liberada, inclusive (e às vezes principalmente) na forma de ondas gravitacionais, uma vez que corpos massivos e compactos realizam certos movimentos rápidos. Estas são nossas fontes ideais.

É verdade que as supernovas entram em erupção na Galáxia uma vez a cada poucas décadas, as fusões de estrelas de nêutrons ocorrem uma vez a cada duas dezenas de milhares de anos e os buracos negros se fundem entre si com ainda menos frequência. Mas o sinal é muito mais poderoso e suas características podem ser calculadas com bastante precisão. Mas agora precisamos ser capazes de ver o sinal a uma distância de várias centenas de milhões de anos-luz para cobrir várias dezenas de milhares de galáxias e detectar vários sinais num ano.

Decididas as fontes, começaremos a projetar o detector. Para fazer isso, você precisa entender o que uma onda gravitacional faz. Sem entrar em detalhes, podemos dizer que a passagem de uma onda gravitacional causa uma força de maré (as marés lunares ou solares comuns são um fenômeno separado e as ondas gravitacionais não têm nada a ver com isso). Assim você pode pegar, por exemplo, um cilindro de metal, equipá-lo com sensores e estudar suas vibrações. Isto não é difícil, razão pela qual tais instalações começaram a ser feitas há meio século (elas também estão disponíveis na Rússia; agora um detector melhorado desenvolvido pela equipe de Valentin Rudenko da SAI MSU está sendo instalado no laboratório subterrâneo de Baksan). O problema é que tal dispositivo verá o sinal sem quaisquer ondas gravitacionais. Existem muitos ruídos difíceis de lidar. É possível (e já foi feito!) instalar o detector no subsolo, tentar isolá-lo, resfriá-lo a baixas temperaturas, mas ainda é necessário um sinal de onda gravitacional muito potente para ultrapassar o nível de ruído. Mas sinais poderosos raramente surgem.

Portanto, a escolha foi feita em favor de outro esquema, apresentado em 1962 por Vladislav Pustovoit e Mikhail Herzenstein. Em artigo publicado no JETP (Journal of Experimental and física Teórica), eles propuseram o uso de um interferômetro de Michelson para detectar ondas gravitacionais. O feixe de laser passa entre os espelhos nos dois braços do interferômetro e, em seguida, os feixes de diferentes braços são adicionados. Ao analisar o resultado da interferência do feixe, a mudança relativa nos comprimentos dos braços pode ser medida. Estas são medições muito precisas, portanto, se você vencer o ruído, poderá obter uma sensibilidade fantástica.

No início da década de 1990, decidiu-se construir vários detectores utilizando este projeto. As primeiras a entrar em operação foram instalações relativamente pequenas, GEO600 na Europa e TAMA300 no Japão (os números correspondem ao comprimento dos braços em metros) para testar a tecnologia. Mas os principais intervenientes seriam as instalações do LIGO nos EUA e do VIRGO na Europa. O tamanho destes instrumentos já é medido em quilómetros, e a sensibilidade final planeada deverá permitir-nos ver dezenas, senão centenas de eventos por ano.

Por que são necessários vários dispositivos? Principalmente para validação cruzada, uma vez que existem ruídos locais (por exemplo, sísmicos). A detecção simultânea do sinal no noroeste dos Estados Unidos e na Itália seria uma excelente evidência de sua origem externa. Mas há uma segunda razão: os detectores de ondas gravitacionais são muito fracos na determinação da direção da fonte. Mas se houver vários detectores espaçados, será possível indicar a direção com bastante precisão.

Gigantes do laser

Na sua forma original, os detectores LIGO foram construídos em 2002, e os detectores VIRGO em 2003. De acordo com o plano, esta foi apenas a primeira etapa. Todas as instalações funcionaram durante vários anos, e em 2010-2011 foram paradas para modificações, para então atingir a alta sensibilidade planejada. Os detectores LIGO foram os primeiros a funcionar em Setembro de 2015, o VIRGO deverá aderir no segundo semestre de 2016, e a partir desta fase a sensibilidade permite-nos esperar registar pelo menos vários eventos por ano.

Depois que o LIGO começou a operar, a taxa esperada de rajadas era de aproximadamente um evento por mês. Os astrofísicos estimaram antecipadamente que os primeiros eventos esperados seriam fusões de buracos negros. Isto se deve ao fato de que os buracos negros são geralmente dez vezes mais pesados que as estrelas de nêutrons, o sinal é mais poderoso e é “visível” a grandes distâncias, o que mais do que compensa a menor taxa de eventos por galáxia. Felizmente, não tivemos que esperar muito. No dia 14 de setembro de 2015, ambas as instalações registraram um sinal quase idêntico, denominado GW150914.

Com uma análise bastante simples, dados como massas de buracos negros, intensidade do sinal e distância até a fonte podem ser obtidos. A massa e o tamanho dos buracos negros estão relacionados de forma muito simples e bem de uma forma conhecida, e a partir da frequência do sinal pode-se estimar imediatamente o tamanho da região de liberação de energia. Neste caso, o tamanho indicava que a partir de dois buracos com massa de 25-30 e 35-40 massas solares, formou-se um buraco negro com massa superior a 60 massas solares. Conhecendo esses dados, pode-se obter a energia total da explosão. Quase três massas solares foram convertidas em radiação gravitacional. Isso corresponde à luminosidade de 1.023 luminosidades solares - aproximadamente a mesma que durante esse período (centésimos de segundo) todas as estrelas da parte visível do Universo emitem. E a partir da energia e magnitude conhecidas do sinal medido, a distância é obtida. A grande massa dos corpos fundidos permitiu registrar um evento ocorrido em uma galáxia distante: o sinal demorou aproximadamente 1,3 bilhão de anos para chegar até nós.

Uma análise mais detalhada permite esclarecer a proporção de massas dos buracos negros e compreender como eles giravam em torno de seu eixo, bem como determinar alguns outros parâmetros. Além disso, o sinal de duas instalações permite determinar aproximadamente a direção do burst. Infelizmente, a precisão aqui ainda não é muito alta, mas com o comissionamento do VIRGO atualizado ela aumentará. E em alguns anos, o detector japonês KAGRA começará a receber sinais. Em seguida, um dos detectores LIGO (originalmente eram três, uma das instalações era dupla) será montado na Índia, e espera-se que muitas dezenas de eventos sejam registrados por ano.

A era da nova astronomia

No momento, o resultado mais importante do trabalho do LIGO é a confirmação da existência de ondas gravitacionais. Além disso, a primeira explosão permitiu melhorar as restrições à massa do gráviton (na relatividade geral tem massa zero), bem como limitar mais fortemente a diferença entre a velocidade de propagação da gravidade e a velocidade de luz. Mas os cientistas esperam que já em 2016 sejam capazes de obter muitos novos dados astrofísicos usando LIGO e VIRGO.

Primeiro, os dados dos observatórios de ondas gravitacionais são novo canal estudando buracos negros. Se antes só era possível observar os fluxos de matéria nas proximidades desses objetos, agora é possível “ver” diretamente o processo de fusão e “acalmar” o buraco negro resultante, como seu horizonte flutua, assumindo sua forma final ( determinado por rotação). Provavelmente, até a descoberta da evaporação de buracos negros por Hawking (por enquanto esse processo permanece uma hipótese), o estudo das fusões fornecerá melhores informações diretas sobre eles.

Em segundo lugar, as observações de fusões de estrelas de neutrões fornecerão muitas informações novas e urgentemente necessárias sobre estes objetos. Pela primeira vez, seremos capazes de estudar estrelas de nêutrons da mesma forma que os físicos estudam as partículas: observando-as colidirem para entender como funcionam em seu interior. O mistério da estrutura do interior das estrelas de nêutrons preocupa tanto astrofísicos quanto físicos. Nossa compreensão da física nuclear e do comportamento da matéria em densidades ultra-altas fica incompleta sem resolver esta questão. É provável que as observações das ondas gravitacionais desempenhem um papel fundamental aqui.

Acredita-se que as fusões de estrelas de nêutrons sejam responsáveis por curtas explosões cosmológicas de raios gama. Em casos raros, será possível observar simultaneamente um evento tanto na faixa gama quanto em detectores de ondas gravitacionais (a raridade se deve ao fato de que, em primeiro lugar, o sinal gama está concentrado em um feixe muito estreito, e não é sempre direcionado a nós, mas em segundo lugar, não registraremos ondas gravitacionais de eventos muito distantes). Aparentemente, serão necessários vários anos de observação para conseguir ver isso (embora, como sempre, você possa ter sorte e isso acontecerá hoje). Então, entre outras coisas, seremos capazes de comparar com muita precisão a velocidade da gravidade com a velocidade da luz.

Assim, os interferômetros laser juntos funcionarão como um único telescópio de ondas gravitacionais, trazendo novos conhecimentos tanto para astrofísicos quanto para físicos. Bem, mais cedo ou mais tarde um merecido Prêmio Nobel será concedido pela descoberta das primeiras explosões e sua análise.

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