Posted by: Aba Cohen | March 18, 2014

ondas gravitacionais são detectadas pelo BICEP2

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Mapa mostrando as direções de polarização da RCF em função da direção do eixo de observação do polarímetro instalado no Polo Sul; créditos BICEP2

Cientistas que trabalham com dados gerados pelo polarímetro do programa BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarisation) instalado no telescópio da Estação Amundsen-Scott, localizada no Polo Sul, anunciaram há poucas horas, resultados surpreendentes e de grande confiabilidade, que demonstram os efeitos de ondas gravitacionais sobre a polarização da Radiação Cósmica de Fundo RCF (ou CMB na sigla em inglês). Essa radiação, que vem do espaço extragaláctico e pode ser detectada por instrumentos especiais -independente do ponto de nosso planeta em que forem instalados (na realidade em qualquer ponto do Universo), corresponde ao “eco” eletromagnético remanescente do Universo primordial, após decorridos 380 mil anos do Big Bang (ver o diagrama abaixo). Os resultados mostram que a RCF tem polarizações específicas (direções preferenciais dos campos elétrico e magnético da luz) cujas orientações mudam de modo bastante nítido -seguindo uma distribuição de grande harmonia- conforme se varia a direção do Universo para a qual se aponta o eixo de observação do polarímetro – ver a figura acima.  Ainda que a figura ou os resultados divulgados não mostrem as ondas gravitacionais propriamente ditas, eles mostram os nítidos efeitos provocados por tais ondas. Isto equivale ao que ocorre em uma plantação de trigo (ou capinzal) que é capaz de registrar os efeitos de ondas de vento em diferentes regiões daquele campo, mas não as ondas de vento propriamente ditas.

Entenda como o FiísicaFacil explica esse efeito de modo simples: Pela Teoria Geral da Relatividade (TRG), proposta por Einstein em 1915, qualquer massa (inércia) mergulhada no tecido espaço-temporal (ou seja qualquer massa no Universo), apresenta uma resistência às acelerações (efeito percebido por Galileu, matematizado por Newton e explicado por Einstein). Como resultado, essa resistência às acelerações produz alterações nesse tecido (que conhecemos por gravidade), que, em reação ao rompimento da resistência (o acelerar da massa), produz ondas gravitacionais que propagam através do espaço-tempo. Esse efeito é semelhante ao que acontece quando se acelera uma carga elétrica, só que em vez da emissão de ondas eletromagnéticas no caso da carga acelerada, uma massa acelerada emite ondas gravitacionais -para saber mais leia nosso post “How inertia creates gravity”. A detecção de tais ondas é extremamente difícil pois elas são muito tênues e, apesar da existência de sistemas de detecção montados em diversos laboratórios, elas ou seus efeitos não haviam sido detectados até agora.

O grupo do BICEP2 mediu o efeito das ondas gravitacionais viajantes (ou, no modelo equivalente, mediu o efeito das ondas de ar, ou rajadas de vento), através do registro da orientação da direção de polarização da luz por onde as ondas passaram (ou equivalentemente, capturando a imagem do campo de trigo de uma época em que as correntes de vento eram suficientemente fortes para distorcer o trigal… aqui e ali…) nos primórdios do Universo; pela TRG, a luz revela as distorções do tecido espaço-temporal produzindo, por exemplo, o conhecido efeito das “lentes gravitacionais”. No presente caso, a existência de massas descomunalmente grandes, concentradas nos primeiros instantes do Universo, sofrendo acelerações extremas causadas na sequência da “grande inflação” do Universo, foram capazes de distorcer o espaço-tempo de modo específico, conforme as diferentes regiões por onde tais ondas viajaram. Esse “vento, soprado sobre o campo de trigo” do Universo primordial se configura como a primeira evidência dos efeitos das ondas gravitacionais. Essa técnica (BICEP) de se estudar a RCF revela uma evidência adicional, INDEPENDENTE DAS DEMAIS, que comprova a ocorrência do Big Bang; ela abre campo para uma série de estudos relacionados ao fenômeno da criação/surgimento do Universo. Caso essas medidas sejam confirmadas por outros grupos de pesquisa (e ao que tudo indica elas serão), é certo que esse trabalho pioneiro, que acaba de ser divulgado, valerá o Prêmio Nobel de Física para seus idealizadores.

A figura abaixo é um diagrama que mostra como as ondas gravitacionais afetam a RCF (ou CMB).

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Este diagrama mostra como as ondas gravitacionais evoluiram à partir do Big Bang, com um primeiro momento de extrema inflação do espaço-tempo, seguido por 380 mil anos de opacidade do Universo (a luz era espalhada pelos elétrons não acoplados aos núcleos H, He ou Li até então existentes) e a partir daí como a RCF pôde viajar Universo afora, sofrendo os efeitos de polarização provocados pelas ondas gravitacionais (circulo laranja evoluindo para o circulo azul) chegando até nós depois de 13,8 bilhões de anos.


Responses

  1. Mestre,
    O eletromagnetismo mostrou que que ondas nada mais são que a propagação de uma perturbação em determinado meio. Elas não transportam as partículas desse meio que permanecem oscilando com determinada amplitude. Mas transportam momentos e a energia necessária para efetuar o trabalho mecânico das partículas do meio em seu movimento oscilatório.
    Pelo que entendi, a equipe do BICEP2 encontrou um padrão de onda ao estudar o padrão das variações das direções de polarização da luz no espectro da radiação cósmica de fundo.
    Isso significa, a meu ver, que essa onda deverá transportar energia e momento.
    Mas não ficou claro, mesmo observando as ilustrações, que a energia transportada seria a energia gravitacional. Para mim, tal energia deveria ser energia cinética o que explicaria a grande expansão do universo primordial na teoria da inflação do universo.
    As ondas gravitacionais, por seu turno, são bastante evidentes ao se analisar a propagação da perturbação de campos gravitacionais em pulsares binários.
    Contudo, a medida do “quantum de gravitação” – o gráviton, permanece ainda em aberto.

  2. Olá Léo, como informo no post, foi detectado o efeito da onda, não a própria. O polarímetro ao medir a polarização da luz, conseguiu mostrar um padrão de perturbação (não da luz mas) do espaço-tempo, refletindo na polarização da luz que por ele passa tais distorções. As ondas propriamente ditas seriam detectadas com outro tipo de instrumento mas não foi o caso. O importante é que essa turbulência do espaço-tempo, vista indiretamente pela perturbação luminosa, é a primeira evidencia das ondas gravitacionais. Nesse sentido, sua afirmativa de que essas ondas foram detectadas em pulsares não é correta pois, ainda que emitam tais ondulações, os sinais são extremamente fracos para serem observados pelos detectores convencionais. Talvez a técnica de polarimetria da luz possa inaugurar um novo campo para observações de OGs mais tênues (afetando o espaço-tempo LOCAL) em vez de medirmos as mesmas aqui e agora… longe do ponto de ocorrencia.

  3. Mestre, sua abordagem sobre o fenômeno descoberto pela equipe BICEP2 é muito clara e é condizente com a TRG uma vez que esta teoria admite a hipótese de existirem ondas gravitacionais.
    Se realmente elas existem, como parecem existir, elas serão frutos de perturbações do campo gravitacional.
    Como a força gravitacional é a mais fraca das forças atualmente conhecidas, a perturbação que gerou as ondas gravitacionais no universo primordial também deveriam ser extremamente fracas.
    Mais fracas do que a perturbação que gerou a radiação cósmica de fundo.

    Baseado nessa linha de argumentação, a hipótese sustentada pela equipe BICEP2 não é plenamente satisfatória: “Gravitational waves stretch and compress space-time, leaving their mark as polarising pattern”.

    Para isso ser possível, falta demonstrar que a interferência dos vários trens de onda da radiação cósmica de fundo com os trens de onda gravitacionais teriam suas amplitudes somadas formando um pacote de ondas suficientemente forte para “stretch and compress space-time” em expansão.

    Se pudermos demonstrar a possibilidade de um trem de ondas gravitacionais ser “ampliado” pela interferência de outros trens de ondas talvez pudéssemos “medir” quantitativamente, e de modo indireto, o quantum de gravitação.

    • Olá Léo, como você sabe bem, os 2 campos têm natureza física diferentes, sendo o gravitacional formado basicamente por gradientes espaço-temporais e o outro por campos elétricos e magnéticos entrelaçados; não há como somar/interferir (no sentido ondulatório) campos de naturezas diferentes. Isto não impede que o campo EM viaje pelo espaço-tempo, seguindo as retas (riemannianas) determinadas pela métrica (mais ou menos distorcidas) presentes no mesmo. O efeito da polarização ocorre quando a luz atravessa regiões em que uma dada coordenada espacial (xx ou yy …) está mais afetada pelas ondas gravitacionais (ou se preferir a concentração de matéria acelerada existente a *** Km ou metros ou … de distância) produzir uma distorção preferencial (orientada axialmente ou lateralmente segundo xx ou yy …) do espaço-tempo). Concordo com você quando diz que as OGs são muito tênues, mas devemos lembrar que na expansão cósmica havia

      MUITA MASSA
      num ESPAÇO SUPERCOMPRIMIDO e
      com ACELERAÇÕES EXCEPCIONALMENTE ALTAS

      e na conjunção desses 3 fatores não há como as OGs serem fracas. É no entanto verdade que as OEMs ali presentes eram também concentradas e, numa queda de braço, as OGs seriam relativamente fracas. O fato é que o espaço-tempo apresentou uma distorção suficientemente, forte com orientação preferencial, e esse efeito foi detectado.

      Eu penso/espero que essa técnica da polarimetria passará a ser cada vez mais valorizada, na busca dos sinais de deformação espaço-temporal.


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