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Atualidades Física

Ondas Gravitacionais: o que são e como funcionam?

Confira aqui tudo sobre as ondas gravitacionais: a sua relação com a relatividade geral de Einstein, suas consequências sobre o espaço-tempo e a sua principal forma de detecção.

Autor Representação de uma pessoa Denis Data Representação de um calendário 12/09/2019 Tempo Representação de um relógio 8min  de leitura

As ondas gravitacionais são perturbações que se propagam no espaço-tempo e são causadas pelo movimento acelerado de corpos massivos.

Difícil de entender, né? Mas não se preocupe, entramos em mais detalhes nas seções a seguir:

Uma nova definição de Gravidade

A visão que Newton possuía da gravidade é bastante simples:

A gravidade é uma força que atua sobre todos os corpos que possuem massa, atraindo-os mutuamente. Essa força depende apenas de dois fatores: a quantidade de massa de ambos os corpos e a distância que os separa.

A gravitação newtoniana nunca explicou como essa força era transferida de um corpo para outro. Além disso, Newton acreditava que a gravidade atuava instantaneamente, ou seja, se um corpo aparecesse do nada próximo da Terra, sentiríamos, no mesmo instante, uma força gravitacional causada por ele.

Representação da Terra e do Sol distorcendo o espaço-tempo em torno de si.

Porém, em 1916, a teoria da relatividade geral de Einstein expandiu, e muito, o conceito de gravidade. Segunda essa teoria, todo corpo que possui massa distorce o espaço-tempo ao seu redor.

Imagine que o espaço-tempo seja a superfície de uma cama elástica, e um corpo massivo, a Terra, por exemplo, seja uma bola de boliche colocada sobre essa cama elástica. Nesse caso, o que acontece com a superfície da cama elástica? Ela será distorcida em torno da bola! E é exatamente isso que acontece com o espaço-tempo em torno de corpos massivos.

Como você pode observar na imagem ao lado, é esse tipo de distorção que causa a atração gravitacional e que mantém a Terra em órbita ao redor da Sol, por exemplo.

Quanto mais denso o corpo, ou seja, quanto mais massa ele consegue acumular em uma pequena região do espaço, maior é essa distorção no espaço-tempo.

Os corpos mais densos do universo são os buracos negros. A deformação causada por eles é tão grande que nem mesmo a luz consegue escapar dela! Quer saber tudo sobre o assunto? Então confira o nosso guia completo de buracos negros.

Animação de ondas gravitacionais sendo geradas a partir do movimento orbital de duas estrelas.

Formação de Ondas Gravitacionais

Tá, mas o que tudo isso tem a ver com as ondas gravitacionais?

Bom, quando esses corpos, massivos o suficiente para causar grandes distorções no espaço-tempo, se movem de forma acelerada, a perturbação causada por eles é transmitida ao longo do espaço-tempo.

Essas perturbações transmitidas no espaço-tempo são o que chamamos de ondas gravitacionais.

Por exemplo, quando duas estrelas orbitam em torno de um centro comum, elas perturbam o espaço-tempo ao seu redor, gerando ondas gravitacionais.

É importante dizer também que as ondas gravitacionais viajam pelo espaço-tempo na velocidade da luz (300.000 km/s). Essa também é a velocidade de atuação da força gravitacional, ou seja, Newton estava errado ao acreditar que a força gravitacional atuava de forma instantânea.

Espaço-Tempo

Note que, quando falamos das deformações causadas por corpos massivos, não nos referimos apenas a deformações espaciais, mas sim no espaço-tempo.

Tá, mas o que é esse espaço-tempo?

Em geral, estamos acostumados a tratar do tempo como uma coisa única e imutável, ou seja, que flui da mesma forma em todos os lugares e para todos os observadores, mas isso não é verdade.

Tempo e espaço são duas faces de uma mesma moeda chamada espaço-tempo!

Dessa forma, o tempo pode passar de uma forma diferente em diferentes regiões do espaço. Por exemplo, nas regiões próximas de corpos muito massivos, não apenas o espaço é distorcido, mas também o tempo: ele flui mais lentamente!

Detecção de Ondas Gravitacionais

Todo corpo que possui massa, quando se movimenta, causa ondas gravitacionais, mas a intensidade delas costuma ser muito baixa, tornando-as imperceptíveis.

No entanto, em eventos catastróficos, envolvendo corpos super massivos, as perturbações sobre o espaço-tempo são consideravelmente maiores e podem ser detectadas aqui na Terra por aparelhos chamados de interferômetros.

Como funcionam os Interferômetros?

Um interferômetro é um instrumento utilizado em diversas áreas da física e da engenharia que se utiliza dos padrões de interferência da luz para obter seus resultados.

Observe na imagem abaixo a estrutura de um interferômetro clássico:

Diagrama de um interferômetro, utilizado para detectar ondas gravitacionais através de padrões de interferência da luz.

Em resumo, o que ocorre nesse instrumento é:

  •  •  Primeiramente, uma onda de luz é emitida pelo laser.

  •  •  Essa onda é dividida em duas ondas idênticas por um divisor de feixe. Cada uma delas se propaga em um dos “braços” do interferômetro.

  •  •  Como cada um dos braços tem exatamente o mesmo comprimento, cada onda leva o mesmo tempo para chegar até um dos espelhos, ser refletida e retornar.

  •  •  Após retornar, as ondas se sobrepõe, sofrendo de uma interferência destrutiva, ou seja, uma anula completamente a outra.

Tá, mas como esse instrumento é usado para identificar ondas gravitacionais?

Bom, quando as ondas gravitacionais passam pelo interferômetro, o próprio espaço sofre compressões e expansões em algumas direções. Isso faz com que, em alguns momentos, um dos braços do interferômetro esteja maior do que o outro.

Quando isso ocorre, as ondas de luz irão percorrer distâncias diferentes, logo, ao retornarem, elas não estarão na mesma sincronia.

Sendo assim, a interferência deixa de ser completamente destrutiva: temos uma onda de luz resultante que fica variando de amplitude enquanto os braços do interferômetro variam de tamanho com a passagem das ondas gravitacionais.

Em suma, quando são identificadas mudanças constantes no padrão de interferência da onda resultante, sabemos que ondas gravitacionais passaram por ali.

LIGO

Vista superior do interferômetro da LIGO, responsável pela detecção de ondas gravitacionais.

Em 2015, o observatório LIGO (Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser ), detectou ondas gravitacionais pela primeira vez na história, confirmando a teoria de Einstein.

As ondas identificadas foram geradas pela colisão de dois buracos negros localizados a quase 1,3 bilhões de anos-luz da Terra.

O processo de detecção das ondas gravitacionais pode parecer simples, mas, na verdade, a variação nos comprimentos dos braços dos interferômetros, durante a passagem de ondas gravitacionais, é da ordem de 10⁻¹⁹ m, isso equivale a 1/10.000 vezes o tamanho de um próton!

Dessa forma, para a correta identificação de ondas gravitacionais, os braços do interferômetro LIGO tem que ser enormes: eles possuem 4 km de comprimento!

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