O LIGO e a física de altas energias

Bruno Carneiro da Cunha
04/12/2017

O primeiro evento de colisão de buracos negros detetado pelo LIGO. Os sinais dos dois detetores são mostrados separados e depois juntos. A distância entre os dois detetores é de 3000 km. [1]
Quando se fala em interações fundamentais da natureza, a gravitação aparece como a mais fraca e, por isso mesmo, a mais difícil de ser estudada. Experimentos em gravitação são notoriamente difíceis de serem executados — a própria medição da constante da gravitação universal foi um processo árduo, que levou quase 50 anos, culminando com o experimento de H. Cavendish mais de 100 anos depois dos Principia.

Fenômenos astrofísicos muitas vezes envolvem as condições extremas necessárias para testes tanto de gravitação quanto das outras forças fundamentais da natureza. Por exemplo, a gravitação newtoniana foi testada exaustivamente com o movimento dos planetas antes de ser testada em laboratório. O problema em usar fenômenos astrofísicos como laboratório é justamente a falta de controle das variações sistemáticas: cada fenômeno é único, e suas condições não se repetem. A análise dos dados empíricos e sua interpretação teórica são mais complicadas, resumida na frase “os cinco sigma da astrofísica e cosmologia são diferentes dos cinco sigma da física de partículas” [2].

Em algumas situações especiais, pode-se extrair informações novas. No caso do Sol, por exemplo, temos uma vasta quantidade de dados de emissões de vários tipos devida ao monitoramento constante: além de sua gravitação, temos suas ondas de rádio, luminosas, ultravioleta e raios X, além de neutrinos. A quantidade de dados armazenada por mais de um século nos permitiu a criação de um “modelo padrão solar”, que explica como a fonte inicial de fusão nuclear implica no espectro visível, bem como as outras emissões. O modelo é sujeito a correções, mesmo porque o Sol é um sistema turbulento, mas tais correções não virão do nosso entendimento da física de partículas.

A relação massa-raio para vários tipos de estrelas de nêutrons. As regiões no canto superior esquerdo são instáveis segundo nosso entendimento da estrutura das estrelas. Note que o candidato J1614-2230 pode violar esse limite. Novos eventos de colisões de estrelas de nêutrons além de GW170817 pode nos ajudar a criar um “modelo padrão” para estrelas de nêutrons. Figura de [3].
Outro exemplo são as supernovas do tipo IA. Supernova são explosões que acontecem no final do ciclo de vida de grandes estrelas, envolvendo uma ejeção de grande parte de sua massa. Estas explosões podem acontecer por vários motivos, e por isso as supernovas são separadas em tipos. As do tipo IA acontecem por lenta absorção de matéria pela estrela, até que seu limite de massa seja atingido e a estrela assim exploda. Essas condições então implicam em uma homogeneidade das explosões: podemos prever com boa precisão tanto as frequências emitidas como a energia total. Essas características foram fundamentais na detecção da energia escura, fato que deu o prêmio Nobel de 2011 a A. Riess, S. Perlmutter e B. Schmidt.

O que nos leva ao segundo problema da análise dos fenômenos astrofísicos: falta de controle sobre seus aspectos. Via de regra apenas um aspecto do fenômeno é mensurável e ficamos assim com uma verificação parcial da propriedade que se quer medir. A esmagadora maioria dos fenômenos astrofísicos chega até nós como ondas eletromagnéticas (na maioria das vezes em termos de raios X, ondas luminosas ou ondas de rádio), e vários outros aspectos e propriedades não podem ser medidos: polarização das ondas, variação com campo de visão, condições iniciais especiais. Os erros são maiores, as conclusões mais incertas.

Com isto, o que chamamos de “construção de consenso” é mais complicado em astrofísica e cosmologia que em física de partículas. A própria relatividade geral sofreu isto, com modelos alternativos às equações de Einstein concorrendo durante várias décadas por não poderem ser eliminados com base na pesquisa empírica. Fenômenos como o Big Bang, ondas gravitacionais e os próprios buracos negros tiveram sua existência questionada durante várias décadas.

As múltiplas detecções do evento GW170817 em detalhe. No canto superior esquerdo, o evento de ondas gravitacionais advindos da colisão de duas estrelas de nêutrons, cerca de 3 segundos depois, foi detectado um evento de raios gamma de alta energia vindas da mesma região do espaço. Ao longo dos dias e semanas seguintes, uma cascata de eventos provenientes da mesma região foram vistos ao redor do globo terrestre. Figura de [4].
Buracos negros ocupam um lugar especial nesta história: a resistência da comunidade em acreditar que a massa de uma estrela como o Sol pudesse ser comprimida em uma esfera com 3 quilômetros de raio até que nada pudesse escapar dela — nem mesmo a luz — passou por todo o tipo de teste teórico quanto experimental. Apesar dos inúmeros casos de fontes compactas de massa e/ou radiação em processos astrofísicos documentados até então, havia grande resistência da comunidade em aceitar que o tipo de objeto compacto descrito pelos fenômenos astrofísicos eram de fatos os mesmos buracos negros obtidos das equações da relatividade geral.

Tudo isto mudou em 14 de setembro de 2015.

O interferômetro do LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Laboratory) em Livingston, Alabama, Estados Unidos detetou uma pequena variação na distância entre seus espelhos. O efeito era minúsculo: uma variação de cerca de um milésimo do raio de um próton no caminho ótico de mais de 4km entre os pares de espelhos, mas ainda assim acima dos ruídos. Cerca de 7 milissegundos depois, o interferômetro do LIGO em Hanford, Washington acusou a mesma variação.

A história contada para explicar esse pequeno movimento parece saída de livros de ficção científica: cerca de 1 bilhão de anos atrás, na direção das nuvens de Magalhães, dois objetos extremamente compactos, com massas de 20 a 30 vezes a massa do Sol, mas de cerca de 200 a 300 quilômetros de diâmetro, colidiram. Ao contrário dos processos de colisão usuais em processos astrofísicos, esta não foi acompanhada por uma explosão e emissão eletromagnética. A única emissão resultante foi a de ondas gravitacionais.

Em termos de energia liberada, foi a maior explosão que se teve notícia: o equivalente a 3 massas solares foram emitidos em forma de ondas gravitacionais no pequeno intervalo de 0,2 segundos de colisão. Neste momento a potência radiada pelo balé dos dois buracos negros era 50 vezes maior que todas as estrelas do universo juntas. Apesar disso, um observador relativamente perto do sistema poderia não notar a colisão: pela fraqueza da interação gravitacional os únicos efeitos que um observador a uma unidade astronômica do sistema sentiria seriam a alteração da posição das estrelas cujos raios de luz passassem perto do sistema e uma compressão-dilatação de cerca de 1 milímetro em cada metro.

A detecção direta de ondas gravitacionais teve muitos superlativos e efemérides a ela associados. Marcou a primeira medida direta da velocidade da gravitação — é a mesma da luz — e a primeira detecção de buracos negros com massas da ordem de 10 a 100 vezes a massa solar. Mais importante, a detecção abriu caminho para uma nova maneira de olhar o universo, em uma revolução só comparável com a criação do radiotelescópio em nos anos 1930.

Todos esses fatores contribuíram para a escolha desse evento como o premiado pelo prêmio Nobel de 2017, nas figuras de K. Thorne, R. Weiss e B. Barish.

É um exercício perigoso de futurologia tentar prever o impacto para a ciência em geral. Podemos aqui nos permitir uma boa dosagem de otimismo e nos ater aos possíveis impactos para a física de altas energias.

Em ordem de otimismo, podemos nos ater a três pontos.

O primeiro é o entendimento do comportamento dos buracos negros. Buracos negros são por um lado relativamente simples, com sua propriedade definidora — a não emissão de luz — responsável pela sua (quase) total ausência de estrutura. Medições das emissões de ondas gravitacionais geradas durante a formação do buraco negro constituem um teste dinâmico da relatividade geral. Tendo em vista as recentes aplicações de buracos negros em teorias de sistemas fortemente acoplados — como plasma de quarks e glúons e sistemas de elétrons — o melhor conhecimento desses modos de vibrações dos buracos negros podem ter consequências para toda física.

O segundo ponto será consequência do monitoramento de eventos astrofísicos em vários canais de emissão. Recentemente, foi detectada a primeira colisão de estrelas de nêutrons, chamada de GW170817, em uma galáxia relativamente próxima à Via Láctea. Neste caso, houve uma contrapartida de emissão eletromagnética, em um evento espetacular envolvendo raios gama, raios X, luz visível, microondas e ondas de rádio que lançou estas colisões como principal gerador dos elementos pesados (trans-ferro) do universo. Com mais eventos, e suas contrapartidas eletromagnéticas, poderemos aprender mais sobre as estrelas de nêutrons, talvez o suficiente para entender como elas podem ser mais massivas que o limite de Chandrasekhar e, talvez, criar um “modelo padrão” para seu funcionamento, nos moldes do modelo padrão solar aludido acima. Este modelo padrão vai com certeza nos ensinar sobre o comportamento das forças nucleares em um regime com acesso limitado pela nossa tecnologia.

Por último,  notem que tivemos, no curto espaço de tempo em que os detetores do LIGO estiveram ativos (menos de um ano no total), uma quantidade razoável de eventos de colisão de buracos negros. Com melhor estatística disponível, podemos começar a considerar perguntas sobre o impacto destes buracos negros para a composição de matéria escura. Como buracos negros só interagem com o resto do universo gravitacionalmente, eles são bons candidatos para o papel de matéria escura. Não podem, contudo, compor todos os efeitos atribuídos a ela. Com efeitos distintos desempenhando o mesmo papel, podemos ter um impacto na expectativa atual que a matéria escura é uma partícula não prevista pelo modelo padrão.

E, claro, temos também o inesperado. Sob qualquer ótica, temos um prognóstico muito interessante das possibilidades abertas pelo LIGO.

[1] Imagem: Cortesia de Caltech / MIT / LIGO Laboratory. https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20160211a.

[2] “5 sigma” corresponde a uma certeza de 99,9999% da existência do evento. A frase alude ao fato de que as incertezas são muito melhor controladas em aceleradores de partículas que detetores voltados para o espaço.

[3] P Demorest et al. Shapiro delay measurement of a 2 solar mass neutron star. Nature 467, 1081 (2010). Disponível em https://arxiv.org/pdf/1010.5788.pdf.

[4] BP Abbott et al. Multi-messenger observations of a binary neutron star merger. Astro J Lett 848, L12 (2017). Disponível em http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa91c9/meta.

Como citar este artigo: Bruno Carneiro da Cunha. O LIGO e a física de altas energias. Saense.  http://www.saense.com.br/2017/12/o-ligo-e-a-fisica-de-altas-energias/. Publicado em 04 de dezembro (2017).

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Bruno Carneiro da Cunha

Bruno Carneiro da Cunha

Doutor em Física. Professor da Universidade Federal de Pernambuco. Escreve sobre Física de Partículas Elementares no Saense.

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