Ciência

Buracos negros, curvatura espaço-tempo e ondas gravitacionais

No presente artigo, vamos fazer uma atualização do artigo de revisão sobre os conceitos de espaço-tempo da gravidade na Teoria da Relatividade Geral formulado pelo Físico alemão Albert Einstein no padrão de divulgação científica

- Atualizada em 11/10/2022 às 12h18

No presente artigo, vamos fazer uma atualização do artigo de revisão sobre os conceitos de espaço-tempo da gravidade na Teoria da Relatividade Geral formulado pelo Físico alemão Albert Einstein no padrão de divulgação científica. A publicação original de nossa autoria foi realizada em julho de 2016, na Revista Brasileira de Jornalismo Científico do Laboratório de Estudos Avançados em Jornalismo – Labjor da UNICAMP de número 180, Ondas Gravitacionais, com boa aceitação pela comunidade científica.

Conforme formulado por Albert Einstein e seus colaboradores no início do século 20, os conceitos de espaço-tempo descritos na Relatividade Restrita e o estudo e a aplicação da gravidade na Teoria da Relatividade Geral, um buraco negro é uma região do espaço do qual nada, nem mesmo partículas elementares que se movem com velocidade da luz ou próximo dela, conseguem sair, dando lugar a um ponto singular, causando uma deformação no espaço-tempo resultante de um colapso gravitacional de uma estrela extremamente maciça e compacta.

Com base na equação do buraco negro, podemos fazer um gráfico dessa singularidade como mostrado na figura 1. Mostramos também uma simulação artística da distorção espaço-tempo provocada por um buraco negro na figura 2. A equação do buraco negro utilizada nos gráficos deste artigo é a solução de Schwarzschild para o potencial em coordenadas retangulares. Um buraco negro de Schwarzschild, ou buraco negro estático, é nada mais que um buraco negro sem carga elétrica ou momento angular. É tratado por meio da métrica de Schwarzschild, e não pode ser diferenciado de nenhum outro a não ser pela sua massa. O adjetivo negro em buraco negro se deve ao fato deste não refletir, a nenhuma parte, a luz que venha atingir seu gação de ondas gravitacionais.

Curvatura espaço-tempo provocado por um buraco negro de Schwarzschild
Curvatura espaço-tempo provocado por um buraco negro de Schwarzschild
– Concepção artística da distorção espaço-tempo provocada na formação um buraco negro e propagação de ondas gravitacionais.
– Concepção artística da distorção espaço-tempo provocada na formação um buraco negro e propagação de ondas gravitacionais.

Experimento de Sobral e Porto Príncipe
Para demonstração da distorção do espaço-tempo provocada pela matéria, foi realizada, simultaneamente, nas cidades de Sobral, no interior do Ceará, e na Ilha de Príncipe, na África, no dia 29 de maio de 1919, uma observação da curvatura da luz quando esta tangenciasse a superfície do Sol, aproveitando um eclipse solar. Um eclipse solar é quando a Lua se interpõe entre a Terra e o Sol, ocultando total ou parcialmente a sua luz numa estreita faixa terrestre, por meio de um cone de sombra (Figura 4). Segundo a relatividade geral, uma estrela visível nas proximidades do Sol deveria aparecer em uma posição ligeiramente mais afastada deste, porque sua luz deveria ser ligeiramente desviada pela ação da gravidade do Sol. Esse efeito somente pode ser observado durante um eclipse total do Sol, pois a sua luminosidade impede a visibilidade da estrela em questão.

Deflexão gravitacional da luz sobre a ação do campo gravitacional do Sol. A posição diurna foi medida durante um eclipse total do Sol observado em Sobral – CE, em 1919
Deflexão gravitacional da luz sobre a ação do campo gravitacional do Sol. A posição diurna foi medida durante um eclipse total do Sol observado em Sobral – CE, em 1919

Um ponto que devemos explicar é que a gravidade provocada pela massa do Sol não poderia, sozinha, desviar a trajetória da luz advinda da estrela, como se houvesse uma interação gravitacional newtoniana entre dois corpos, pelo fato de a luz não ter momento de inércia, ou seja, massa de repouso. Portanto o desvio provocado na trajetória da luz é devido à deformação do espaço-tempo provocado pela massa do Sol em sua volta, onde ela percorre sua curvatura. Com essa nova ideia, Albert Einstein publicou, em 1916, um artigo clássico na história da Física no periódico Annallen der Physik. Justamente na expedição de Sobral e Porto Príncipe, foi comprovado esse resultado. Mostramos uma simulação artística da distorção espaço-tempo provocada pela massa do Sol no seu entorno.

Representação artística da distorção espaço-tempo provocada pela massa do Sol no seu entorno.
Representação artística da distorção espaço-tempo provocada pela massa do Sol no seu entorno.

Outro experimento na mesma linha de comprovação foi o Teste de Gravidade Probe B, que ocorreu em 2011, que tentava provar dois efeitos preditos na Teoria da Relatividade Geral, a distorção (curvatura) e o arrasto do espaço (efeito geodésico), ou seja, quanto o espaço-tempo é perturbado pela presença da massa da Terra, ao mesmo tempo, de quanto é o arrasto provocado pela rotação da terra no espaço-tempo. Mostramos uma visão artística da curvatura que a Terra provoca no espaço-tempo; e, o arrasto, nas figuras 5 e 6. O Gravity Probe B (GP-B) é um satélite astronômico, com fins experimentais, que levou quatro giroscópios ultrassensíveis construídos com esferas perfeitas para medir hipote

ticamente o efeito geodésico, a curvatura do espaço e do tempo em torno de um corpo gravitacional, e o arrasto gravitacional, a quantidade com que um objeto girando puxa espaço-tempo com ele quando no movimento de rotação. O experimento consistiu basicamente em apontar os eixos dos giroscópios da GP-B para uma única estrela distante, no caso a estrela IM Pegasi, durante a órbita polar em torno da Terra. Se não houver nenhuma pertubação externa, o eixo do giroscópio ficaria apontado infinitamente na mesma direção da estrela Pegasi, mas, pelas previsões das teorias de Einstein, os eixos dos giroscópios experimentariam mudanças na inclinação do eixo de rotação das esferas em relação ao plano normal ao eixo de rotação da Terra, no caso do arrasto e, no caso da distorção do espaço-tempo, perpendicular ao plano.

Curvatura que a Terra provoca no espaço-tempo.gravitacionais
Curvatura que a Terra provoca no espaço-tempo.gravitacionais
Distorção que a massa da Terra provoca no espaço-tempo devido à rotação. Arrasto Gravitacional.
Distorção que a massa da Terra provoca no espaço-tempo devido à rotação. Arrasto Gravitacional.


Os resultados da Gravity Probe B foram altamente satisfatórios, e, sem dúvida, a missão pôde ser festejada por Físicos e Astrônomos, e foram publicados por C. W. F. Everitt et al no Physical Review Letter.

Ondas gravitacionais
No início do ano de 2016, pairou no mundo físico a sensação de que uma nova física estava surgindo com os resultados da detecção de ondas gravitacionais levando informações provocadas pelo choque de dois buracos negros e/ou um buraco negro e um corpo altamente denso e massivo. O experimento realizado para a detecção dessas ondas foi desenvolvido pelos institutos tecnológicos da Califórnia (Caltech) e Massachusetts (MIT) e pela Colaboração Científica LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), que tem a participação de aproximadamente 1.000 cientistas de 15 países. Esse grande instrumento óptico de previsão consta de dois detectores a laser com formato de L, como mostra a figura 6, e cada um dos seus lados tem quatro quilômetros. Os detectores gêmeos estão localizados no Estado de Louisiana e no Estado de Washington, distante 3.000 quilômetros um do outro (Figura 6). No conjunto, teremos então dois interferômetros que desviam os feixes de luz até os detectores. As ondas gravitacionais são percebidas por meio de fracas vibrações que causam no espaço-tempo, fazendo os espelhos oscilarem. Como os componentes de cada interferômetro estão afastados por mais 4 km de distância, uma ínfima vibração nos espelhos faz a frequência do laser se desalinhar, revelando o efeito das ondas gravitacionais sobre esses objetos (Figura 7).

Os pesquisadores do projeto LIGO observaram "distorções no espaço e no tempo" causadas pela colisão de dois buracos negros com massas de 30 vezes a massa do Sol em processo de fusão e que esse feito era uns dois maiores desafios da física contemporânea. Mostramos, a concepção artística da colisão entre dois buracos negros fazendo uma distorção no tecido do espaço-tempo; e o resultado desta fusão com a formação de um novo buraco negro com as ondas se propagando no espaço. Este fenômeno deve ter ocorrido a 1,3 bilhão de anos-luz.

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Concepção artística de colisão de dois buracos negros
Concepção artística de colisão de dois buracos negros

Para concluir, fizemos uma simulação da evolução de dois buracos negros de Schawarzchild em colisão, e o contorno do espaço-tempo no plano.

Concepção artística após formação de um novo buraco negro resultante da fusão ou da colisão
Concepção artística após formação de um novo buraco negro resultante da fusão ou da colisão
Simulação da colisão de dois buracos negros de Schwarzschild.
Simulação da colisão de dois buracos negros de Schwarzschild.

Já este ano foi publicado que pesquisadores da colaboração internacional que envolve os observatórios de ondas gravitacionais LIGO e Virgo detectaram os sinais de uma colisão de dois astros de alta massa ocorrida a 520 milhões de anos-luz de distância. Os resultados indicam que podem representar a primeira detecção de uma fusão de uma estrela de nêutrons com um buraco negro, mas o mais provável é que sejam duas estrelas de nêutrons em choque. Já em setembro também anunciaram a descoberta da onda binária gravitacional mais massiva observada até hoje. O choque de dois buracos negros de 85 e 66 massas solares e sua fusão resultaram na formação de um buraco negro de 142 massas solares provocando uma onda de choque que abalou os sensores de LIGO e Virgo.

Termino este artigo conclamando que acredite na Ciência e que venham mais ondas gravitacionais para serem objetos de estudos de uma nova Física, ao mesmo tempo, que permaneçam em casa se possível, se não, use máscara.

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