O universo não é um lugar estático e estável. De uma vasta coleção de átomos simples, as nuvens de gás colapsam para formar estrelas e planetas, que passam por seus próprios ciclos de vida. As estrelas mais massivas morrerão em eventos cataclísmicos, como supernovas, produzindo restos estelares, como estrelas de nêutrons e buracos negros. Muitas dessas estrelas de nêutrons e buracos negros serão inspiradas e se fundirão, liberando uma tremenda quantidade de energia na forma de ondas gravitacionais. A luz e as partículas produzidas dessa maneira são capazes de causar danos aqui na Terra, mas e as próprias ondas gravitacionais? Essa é a pergunta de Brian Brettschneider, como ele pergunta:
As ondas gravitacionais detectadas na Terra pelo LIGO viajaram grandes distâncias e eram bastante fracas por unidade de volume de espaço no momento em que chegaram. Se eles se originassem muito mais perto da Terra, seriam mais energéticos da nossa perspectiva. Qual seria o efeito das ondas gravitacionais energéticas criadas localmente em objetos próximos? Estou pensando em se formar 30 buracos negros de massa solar binários. As ondas gravitacionais seriam visíveis? Eles poderiam causar danos?
É uma ótima pergunta que frustrou até algumas das melhores mentes da história.
A Relatividade Geral, nossa atual teoria da gravidade, foi apresentada pela primeira vez por Albert Einstein em 1915. No ano seguinte, 1916, o próprio Einstein derivou uma propriedade inesperada de sua teoria: permitiu a propagação de um novo tipo de radiação puramente gravitacional. na natureza. Essa radiação, hoje conhecida como ondas gravitacionais, tinha algumas propriedades fáceis de extrair: elas não tinham massa e viajavam à velocidade da gravidade, o que deveria ser igual à velocidade da luz.
Mas o que não era aparente, pelo menos não imediatamente, era se essas ondas eram fenômenos reais, físicos, portadores de energia, ou se eram um artefato matemático puro que não tinha nenhum significado físico. Em 1936, Einstein e Nathan Rosen (da ponte Einstein-Rosen e da fama do paradoxo da EPR) escreveram um artigo chamado “As ondas gravitacionais existem?” No artigo, submetido à revista Physical Review, eles argumentaram que não, não o fazem.
Eles alegaram que essas ondas gravitacionais eram matemáticas e não existiam fisicamente, da mesma forma que o “0” que deduzimos estar no final de uma régua não existe fisicamente. Felizmente, o artigo foi rejeitado por recomendação do árbitro anônimo, que acabou sendo o físico Howard Robertson, que os fãs de cosmologia podem reconhecer como o “R” na métrica Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker.
Robertson, também baseado em Princeton, indicou disfarçadamente a Einstein a maneira correta de lidar com o erro que cometera, o que inverteu a conclusão. As ondas gravitacionais que apareceram na versão reenviada, que foi aceita em 1937 com um título diferente em outro periódico, previam ondas fisicamente reais. Assim como o eletromagnetismo tinha luz, uma forma sem massa de radiação que carregava energia real, a gravitação tem um fenômeno completamente análogo: ondas gravitacionais.
Se essas ondas existem, são fisicamente reais e também carregam energia, então a questão importante é se elas podem transferir essa energia para a matéria e, em caso afirmativo, por qual processo. Em 1957, a primeira conferência americana sobre a Relatividade Geral, agora conhecida como GR1, ocorreu em Chapel Hill, Carolina do Norte. Estiveram presentes algumas figuras titânicas no mundo da física, incluindo Bryce DeWitt, John Archibald Wheeler, Joseph Weber, Hermann Bondi, Cécile DeWitt-Morette e Richard Feynman.
Embora Bondi popularizasse rapidamente um argumento específico surgido na conferência, foi Feynman quem apresentou a linha de raciocínio que agora chamamos de argumento do grânulo pegajoso. Se você imaginar que possui uma haste fina com duas contas, onde uma é fixa, mas pode deslizar, a distância entre as esferas mudará se uma onda gravitacional passar por ela perpendicularmente à direção da haste.
Desde que o cordão e a haste sejam isentos de atrito, não há calor produzido, e o estado final do sistema que consiste no bastão e contas não é diferente do que antes da passagem da onda gravitacional. Mas se houver atrito entre a haste e o cordão que possa deslizar ao longo dela, esse movimento gera atrito, que gera calor, que é uma forma de energia. O argumento de Feynman não apenas demonstra que as ondas gravitacionais carregam energia, mas também mostra como extrair essa energia das ondas e colocá-la em um sistema físico real.
Quando uma onda gravitacional passa pela Terra, estão em jogo os mesmos efeitos que ela teve no sistema de esferas. À medida que a onda passava pela Terra, as direções perpendiculares à propagação da onda se estendiam e comprimiam, alternadamente e de maneira oscilatória, em ângulos de 90 graus entre si.
Qualquer coisa que estivesse na Terra que fosse energeticamente afetada por esse movimento do espaço que ocuparia absorveria essa quantidade relevante de energia das próprias ondas e transformaria essa energia em energia física real que estaria presente em nosso mundo.
Se considerarmos a primeira onda gravitacional já vista pelo LIGO – observada em 14 de setembro de 2015, mas anunciada há quase exatamente 4 anos hoje (11 de fevereiro de 2016) – consistia em dois buracos negros de 36 e 29 massas solares, respectivamente, que fundidos para produzir um buraco negro de 62 massas solares. Se você fizer as contas, notará que 36 + 29 não é igual a 62. Para equilibrar essa equação, as três massas solares restantes, correspondentes a aproximadamente 10% da massa do buraco negro menor, precisavam ser convertidas em energia pura, via E = mc2 de Einstein. Essa energia viaja através do espaço na forma de ondas gravitacionais.
Após uma jornada de cerca de 1,3 bilhão de anos-luz, o sinal daqueles buracos negros que se fundiram chegou à Terra, onde passaram pelo nosso planeta. Uma fração minúscula dessa energia foi depositada nos detectores gêmeos LIGO em Hanford, WA, e Livingston, LA, fazendo com que os braços da alavanca que abrigam os espelhos e as cavidades do laser aumentem e diminuam alternadamente de comprimento. Essa pequena quantidade de energia, extraída por um aparato que os humanos construíram, foi suficiente para detectar nossas primeiras ondas gravitacionais.
Há uma enorme quantidade de energia emitida quando dois buracos negros de massa comparáveis a esses se fundem; converter três massas solares de material em energia pura em uma escala de tempo de apenas 200 milissegundos é mais energia do que todas as estrelas do Universo emitem, combinadas, durante o mesmo período de tempo. No total, essa primeira onda gravitacional continha 5,3 × 1047 J de energia, com um pico de emissão, nos milissegundos finais, de 3,6 × 1049 W.
Mas a mais de um bilhão de anos-luz de distância, vimos apenas uma fração minúscula e minúscula dessa energia. Mesmo se considerarmos toda a energia recebida por todo o planeta Terra a partir desta onda gravitacional, ela chega a 36 bilhões de J, o mesmo que a quantidade de energia liberada por:
– queimando seis barris (cerca de 1000 L) de petróleo bruto;
– luz do sol brilhando na ilha de Manhattan por 0,7 segundos;
– 10.000 kWh de eletricidade, o consumo médio anual de eletricidade de uma casa americana.
A energia emitida a partir de uma fonte no espaço sempre se espalha como a superfície de uma esfera, o que significa que, se você reduzir pela metade a distância entre si e esses buracos negros que se fundem, a energia que você receberá quadruplicará.
Se, em vez de 1,3 bilhão de anos-luz, esses buracos negros se fundissem a apenas 1 ano-luz, a força dessas ondas gravitacionais que atingem a Terra seria equivalente a cerca de 70 octillion (7 × 1028) joules de energia: tanta energia quanto o Sol produz a cada três minutos.
Mas há uma maneira importante de as ondas gravitacionais e a radiação eletromagnética (como a luz solar) diferirem. A luz é facilmente absorvida pela matéria normal e transmite energia com base nas interações dos seus quanta (fótons) com os quanta dos quais somos feitos (prótons, nêutrons e elétrons). Mas as ondas gravitacionais passam principalmente através da matéria normal. Sim, eles fazem com que ele se expanda e se contrate alternadamente em direções mutuamente perpendiculares, mas a onda passa amplamente pela Terra sem ser afetada. Apenas uma pequena quantidade de energia é depositada, e há uma sutil razão para isso.
Quando uma onda gravitacional é emitida, sua energia se espalha proporcionalmente à distância ao quadrado. Mas a amplitude de uma onda gravitacional – a coisa que determina em que quantidade a matéria se expandirá e se contrai – só diminui linearmente com a distância. Quando a primeira fusão entre buracos negros e buracos negros que vimos atravessar a Terra, nosso planeta se contraiu e expandiu em torno da largura de uma dúzia de prótons, todos alinhados.
Se esses mesmos buracos negros se fundissem a uma distância de 1 ano-luz, a Terra teria se esticado e compactado em cerca de 20 mícrons. Se eles tivessem se fundido na mesma distância que a Terra está do Sol, o planeta inteiro teria se esticado e compactado cerca de 1 metro (3 pés). Para comparação, é quase a mesma quantidade de alongamento e compressão que acontece todos os dias devido às forças das marés criadas pela Lua. A maior diferença é que isso aconteceria muito mais rápido: com alongamentos e comprimentos na escala de tempo de milissegundos, em vez de ~ 12 horas.
Existem algumas maneiras pelas quais uma onda gravitacional de amplitude suficientemente grande poderia transmitir energia significativamente à Terra. Os cristais empacotados em treliças intrincadas esquentariam por todo o interior da Terra, potencialmente quebrando ou quebrando se a onda gravitacional for forte o suficiente. Terremotos iriam se espalhar por todo o planeta, em cascata e se sobrepondo, causando danos mundiais em nossa superfície. Os gêiseres entrariam em erupção espetacular e irregularmente, e é possível que erupções vulcânicas fossem desencadeadas. Até os oceanos produziriam tsunamis globais, afetando desproporcionalmente as áreas costeiras.
Mas uma fusão buraco negro-buraco negro precisaria ocorrer dentro do nosso Sistema Solar para que isso acontecesse. Mesmo da distância da estrela mais próxima, ondas gravitacionais passavam por nós quase completamente despercebidas. Embora essas ondulações no espaço-tempo tenham mais energia do que qualquer outro evento cataclísmico, as interações são tão fracas que mal nos afetam. Talvez o fato mais notável de tudo seja que nós realmente aprendemos como detectá-los com sucesso.
Publicado em 23/02/2020 13h35
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