Aula 185 — Ondas Gravitacionais (Detecção e eventos cósmicos extremos)

O professor pergunta: "Einstein previu, em 1916, que eventos cósmicos violentos deveriam produzir 'ondulações' se propagando pelo próprio espaço-tempo. Quanto tempo você acha que levou até essa previsão ser confirmada diretamente?" Ouvir hipóteses.

Perguntar: se essas ondas distorcem distâncias por muito menos do que o tamanho de um próton, como seria possível detectá-las algum dia? Obstáculo a nomear (sem resolver ainda): achar que uma previsão teórica tão antiga e tão sutil jamais poderia ser testada experimentalmente — um século depois, uma tecnologia extremamente sensível tornou a detecção direta possível.

Apresentação dos slides 2 a 9: a Relatividade Geral (Aula 184) prevê que massas aceleradas de forma assimétrica — como duas estrelas de nêutrons ou buracos negros orbitando um ao outro cada vez mais próximos — produzem ondas gravitacionais: ondulações que se propagam pela curvatura do próprio espaço-tempo, à velocidade da luz, esticando e comprimindo minimamente as distâncias por onde passam. O efeito é extraordinariamente fraco: ao chegar à Terra, vindo de eventos a bilhões de anos-luz, essas ondas distorcem distâncias por uma fração muito menor que o diâmetro de um próton — por isso sua detecção exige instrumentos extremos como o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory): dois braços perpendiculares de vários quilômetros, com feixes de laser que medem variações de comprimento absurdamente pequenas com precisão suficiente — isso resolve o obstáculo do Momento 2. Em 14 de setembro de 2015, o LIGO detectou pela primeira vez, de forma direta, uma onda gravitacional (evento batizado de GW150914), produzida pela fusão de dois buracos negros a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz de distância — confirmando, cem anos depois, a previsão de Einstein, e rendendo o Prêmio Nobel de Física de 2017 a Rainer Weiss, Kip Thorne e Barry Barish. Em 2017, a detecção de ondas gravitacionais de uma fusão de estrelas de nêutrons (GW170817) foi acompanhada, poucos segundos depois, pela detecção de luz do mesmo evento por telescópios convencionais — inaugurando a astronomia multimensageira, que combina ondas gravitacionais e observações eletromagnéticas de um mesmo evento cósmico.

Resolução guiada: discutir coletivamente por que apenas eventos cósmicos extremamente massivos e extremamente acelerados (como a fusão de dois buracos negros) produzem ondas gravitacionais fortes o suficiente para serem detectadas, enquanto objetos acelerados do nosso cotidiano (um carro, um avião) produzem ondas gravitacionais existentes, porém imperceptivelmente fracas. Em duplas: discutir por que a coincidência temporal entre a detecção de ondas gravitacionais e de luz (no evento GW170817) foi considerada uma confirmação tão importante quanto a própria detecção das ondas gravitacionais.

Aplicação individual (ou em duplas) da lista de exercícios de fixação (seção 8 deste plano).

Retomar a pergunta do Momento 1: a confirmação direta das ondas gravitacionais levou cem anos, só sendo possível em 2015 com o LIGO — um marco que abriu uma nova forma de observar o Universo, complementar à luz.