ONDAS GRAVITACIONAISAndr Dalpian Kuhn

O que uma onda gravitacional?A existncia de Ondas Gravitacionais encontra-se ligada teoria da Relatividade Geral proposta por Einstein em 1916.

O que uma onda gravitacional?

No h propagao instantnea de interaes o que implica a existncia de ondas gravitacionais Qualquer acelerao assimtrica numa massa produz ondas que se propagam com velocidade da luz. Ondas gravitacionais so uma perturbao no espao-tempo e formam com este uma entidade indivisvel.

O que uma onda gravitacional?

Uma onda gravitacional pode apresentar dois estados independentes de polarizao, que contm informaes adicionais sobre a sua fonte. Com isso podemos presumir a existncia de 5 modos diferentes de polarizao de uma onda gravitacional.

O que uma onda gravitacional?

Descoberto em 1974 o pulsar binrio PSR1913+16 por Joseph Taylor e Russel Hulse produziu evidncias indiretas de ondas gravitacionais. Dois objetos compactos com raios da ordem de dezenas de quilmetros, massas da ordem da massa solar, e uma distncia da ordem da separao da Terra Lua.

O que uma onda gravitacional?Variao no perodo orbital do sistema de 75 milionsimos de segundo por ano. Este pequeno mas significativo decrscimo pode ser explicado pela perda de energia do sistema sob a forma de radiao gravitacional. Uma das conseqncias do decrscimo do perodo orbital a aproximao dos dois objetos que formam o binrio numa dana da morte que conduzir destruio de ambos.A diferena entre este valor e a previso da Relatividade Geral menor que 1%

Fontes astrofsicas de ondas gravitacionais

Existem 3 maneiras de uma onda gravitacional ser gerada no universo:

Colapso GravitacionalEstrela de nutrons em rotaoSistema binrio

Fontes astrofsicas de ondas gravitacionaisCOLAPSO GRAVITACIONALA formao de uma estrela de nutrons induzida pelo colapso gravitacional do ncleo de uma estrela (Supernova do tipo II) um dos fenmenos mais violentos que podemos observar no Universo. A energia libertada pela exploso e que se calcula ser da ordem de 15% da massa Solar transportada essencialmente por neutrinos.

Fontes astrofsicas de ondas gravitacionais

Supe-se tambm que uma parte desta enorme energia convertida em ondas gravitacionais.Infelizmente, extremamente difcil fazer previses rigorosas para as amplitudes e freqncias das ondas gravitacionais emitidas uma vez que a modelao de uma Supernova do tipo II um problema altamente no trivial dada a complexidade e as incertezas envolvidas.

A Grande Nuvem de Magalhes antes (direita) e imediatamente aps a supernova 1987A (esquerda). Para os leitores mais distrados, a supernova a mancha brilhante no centro da imagem...

Fontes astrofsicas de ondas gravitacionais

ESTRELA DE NUTRONSUm objeto assimtrico em rotao produz ondas gravitacionais. Embora este resultado se aplique a qualquer objeto em rotao, na prtica apenas objetos compactos como estrelas de nutrons produzem ondas gravitacionais por este processo.

Fontes astrofsicas de ondas gravitacionaisSISTEMAS BINRIOSEsta categoria a que mais oferece possibilidades de deteco. Binrios que incluem um buraco negro; Uma estrela de nutrons (como o pulsar binrio descoberto por Hulse e Taylor);Duas ans brancas. Esse caso deve contribuir essencialmente para o fundo estocstico de ondas gravitacionais.

O fundo cosmolgico de ondas gravitacionaisNos finais dos anos 30 do Sc. XX, Erwin Schrdinger, mais conhecido como um dos fundadores da mecnica quntica, percebeu que num universo em expanso existe uma produo no desprezvel de partculas dependente da acelerao da expanso.Este resultado deixou-o to chocado que no artigo onde esta descoberta relatada, Schrdinger usa a expresso "fenmeno alarmante"

O fundo cosmolgico de ondas gravitacionaisPodemos postular a existncia de uma partcula elementar mediadora da interao gravitacional, o grviton, e fazendo uso da dualidade onda partcula, associar o grviton a uma onda gravitacional. Embora os detalhes estejam completamente fora do mbito da nossa discusso, o grviton tal como o fton no tem massa, move-se velocidade da luz e tem spin 2.

O fundo cosmolgico de ondas gravitacionaisO que interessante notar nesta anlise de Schrdinger que ele associa a produo de partculas acelerao e no diretamente expanso. Esta observao crucial viria a tomar grande importncia no contexto da cosmologia inflacionria.

O fundo cosmolgico de ondas gravitacionaisUma imagens para este processo foi desenvolvida por Grishchuk e baseia-se na semelhana entre as equaes que descrevem a amplificao das ondas gravitacionais e as equaes que descrevem o efeito de tnel de uma partcula numa barreira de potencial com um potencial V=/a onde a o fator de escala do Universo e as " indicam a segunda derivada. Tal como Schrdinger tinha percebido, o importante neste caso a acelerao da expanso () no a velocidade da expanso

O fundo cosmolgico de ondas gravitacionais

O resultado final em geral uma sobreposio incoerente de ondas gravitacionais que resultam num fundo que se assemelha em grande parte a rudo.Embora a origem quntica deste fundo cosmolgico introduza correlaes sutis entre as vrias ondas, no claro que elas possam ser detectadas.

O fundo cosmolgico de ondas gravitacionaisDevido sua fraca capacidade de interagir as ondas gravitacionais desacoplaram da matria nas fraes de segundo imediatamente aps o Big Bang.Os mapas da radiao csmica de fundo produzidos por satlites nos mostram uma imagem do Universo no instante em que radiao e matria deixaram efetivamente de interagir (isto , quando a idade do Universo era aproximadamente 200000 anos)Um mapa do fundo cosmolgico de ondas gravitacionais seria basicamente uma imagem do Universo imediatamente aps o Big Bang

Detectando ondas gravitacionais

Existem essencialmente dois tipos de detectores: barras ressonantes e interfermetros. Embora os detalhes de construo e as suas propriedades sejam bastante diferentes, o princpio usado para a deteco essencialmente o mesmo.

Detectando ondas gravitacionaisUma onda gravitacional, sacudiria a forma de qualquer corpo fsico em seu caminho. Para detectar tais perturbaes, Joseph Weber construiu cilindros slidos de alumnio, com 2 metros de comprimento e 1 metro de dimetro, e os pendurou por fios de ao

Detectando ondas gravitacionaisWeber penou muito para isolar os cilindros de vibraes e perturbaes locais, ssmicas e eletromagnticas, e dizia que a nica fonte significante de rudo de fundo vinha do movimento trmico dos tomos de alumnio. O movimento trmico fazia o comprimento do cilindro variar erraticamente em torno de 10-16m, menos que o dimetro de um prton, mas no muito maior que as ondas gravitacionais esperadas.

Detectando ondas gravitacionaisA evidncia da deteco foi baseada na observao desses sinais acima do rudo em mais de um cilindro, dentro do mesmo perodo de meio segundo. Em 1969, ele apresentou na Physical Review Letters em torno de duas dzias de deteces coincidentes nos dois locais em um perodo de 81 dias. Alguns dos sinais eram to grandes que coincidncias por puro acaso poderiam ocorrer apenas uma vez em centenas ou milhares de anos.

Detectando ondas gravitacionaisNo momento, um dos detectores ressonantes mais sensveis o AURIGAA primeira fase de operao que terminou em 1999 conseguiu atingir sensibilidades da ordem de 10-21 Hz-1. Este nmero refere-se amplitude da transformada de Fourier da onda gravitacional

Detectando ondas gravitacionais

INTERFEROMETRIAQuando uma onda gravitacional interage com os dois braos perpendiculares de um interfermetro vai induzir pequenas variaes no seu comprimento que podem ser medidas atravs do padro de interferncia resultante da recombinao da luz que se propaga no instrumento.

Detectando ondas gravitacionais

Em geral o comprimento dos braos do interfermetro deve ser da ordem de alguns Km para que ondas gravitacionais com amplitudes da ordem de 10-21 (a amplitude das ondas gravitacionais produzidas em alguns dos processos astrofsicos mais interessantes) dem origem a deslocamentos da ordem de 10-18m.

Detectando ondas gravitacionais

O Laboratrio do LISA em Hanford. Repare-se nos dois braos do interfermetro que saem do edifcio central. Uma caminhada nos campos em redor das instalaes que albergam o instrumento pode causar grandes dores de cabea aos fsicos que procuram observar ondas gravitacionais