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O quanto realmente sabemos sobre o que mais existe no universo?
Vamos dar um exemplo bizarro. Se houvesse alienígenas voando pela nossa galáxia com o tipo de tecnologia de propulsão de dobra que vemos frequentemente em programas de ficção científica, como seria o sinal de suas naves? Talvez, surpreendentemente, nossa pesquisa mostre que temos as ferramentas para responder a essa pergunta, independentemente de tais coisas realmente existirem.
Telescópios que usam luz para sondar o espaço agora podem ver quase até a borda do que é observável. Cada nova frequência que exploramos – de raios gama e raios X, a infravermelho e rádio – nos ensinou algo novo e inesperado.
Em 2015, um novo tipo de telescópio, um detector chamado Ligo, foi ligado, não procurando por ondas de luz, mas por ondas gravitacionais, que são “ondulações” invisíveis no espaço e no tempo. Mais uma vez, a natureza nos surpreendeu com um sinal rotulado GW150914 de um par de buracos negros. Cada um tinha cerca de trinta vezes a massa do nosso sol, fundindo-se em uma colisão violenta a 1,4 bilhão de anos-luz de distância.
Desde então, as ondas gravitacionais se tornaram uma nova ferramenta essencial para estudiosos que exploram o universo. Mas ainda estamos no começo de nossas explorações. Quais sinais podemos ver nos dados, e eles mudarão a forma como vemos a física do cosmos?
Há, no entanto, uma questão mais prática que muitas vezes é esquecida: se algo está lá fora, como o reconheceríamos?
Da ficção científica à ciência séria
Você pode ter visto propulsores de dobra em séries como Star Trek. Um propulsor de dobra é uma forma hipotética de tecnologia que comprime o espaço na frente de uma nave estelar e o expande atrás. Embora nada possa viajar mais rápido do que a velocidade da luz, em um propulsor de dobra podemos trapacear tornando nossa distância mais curta. Então, o tempo que leva para ir de A a B é menor do que o tempo que a luz leva em outro caminho não comprimido.
O salto da ficção científica para a ciência real foi dado pelo físico teórico Miguel Alcubierre em 1994, quando ele se inspirou para modelar uma unidade de dobra espacial usando as equações da relatividade geral de Einstein.
A relatividade geral é uma relação entre a curvatura do espaço-tempo (gravidade) e uma distribuição de matéria ou energia (coisas). Normalmente, começamos conhecendo as “coisas”. Por exemplo, sabemos que temos uma gota de matéria que representa um planeta ou estrela. Então colocamos essas coisas nas equações para determinar como o espaço-tempo se curva. E como ele se curva nos diz a gravidade que mediríamos ao redor do objeto.
vrvr/Alamy
Você poderia dizer que é exatamente isso que a imagem da gravidade de Isaac Newton faz – dando uma relação entre a massa de um objeto e a força gravitacional que ele exerce. E você estaria certo. Mas o conceito de curvatura do espaço-tempo dá origem a uma gama muito mais rica de fenômenos do que uma simples força. Ele permite um tipo de gravidade repulsiva que impulsiona nosso universo a se expandir, cria dilatação do tempo em torno de objetos massivos e ondas gravitacionais no espaço-tempo e – pelo menos em teoria – torna possíveis os motores de dobra.
Alcubierre abordou seu problema na direção oposta à usual. Ele sabia que tipo de curvatura do espaço-tempo ele queria. Era uma em que um objeto poderia surfar em uma região de espaço-tempo distorcido. Então, ele trabalhou de trás para frente para determinar o tipo de configuração de matéria que você precisaria para criar isso. Não era uma solução natural das equações, mas sim algo “feito sob encomenda”. Não era exatamente o que ele teria pedido, no entanto. Ele descobriu que precisava de matéria exótica, algo com uma densidade de energia negativa, para distorcer o espaço da maneira certa.
Soluções de matéria exótica são geralmente vistas com ceticismo pelos físicos, e com razão. Embora matematicamente, seja possível descrever material com energias negativas, quase tudo o que conhecemos parece ter uma energia positiva. Mas na física quântica, observamos que pequenas violações temporárias da positividade energética podem ocorrer e, portanto, “nenhuma energia negativa” não pode ser uma lei absoluta e fundamental.
De propulsores de dobra a ondas
Dado o modelo de Alcubierre do espaço-tempo de dobra espacial, podemos começar a responder à nossa pergunta original: como seria um sinal dele?
Um dos pilares das observações modernas de ondas gravitacionais, e uma de suas maiores conquistas, é a capacidade de prever com precisão formas de onda a partir de cenários físicos usando uma ferramenta chamada “relatividade numérica”.
Esta ferramenta é importante por dois motivos. Primeiro, porque os dados que obtemos dos detectores ainda são muito ruidosos, o que significa que muitas vezes temos que saber aproximadamente como é um sinal para podermos extraí-lo do fluxo de dados. E segundo, mesmo que um sinal seja tão alto que se destaque acima do ruído, precisamos de um modelo para interpretá-lo. Ou seja, precisamos ter modelado muitos tipos diferentes de eventos, para que possamos corresponder o sinal ao seu tipo; caso contrário, podemos ser tentados a descartá-lo como ruído ou rotulá-lo erroneamente como uma fusão de buraco negro.
Um problema com o espaço-tempo do warp drive é que ele não emite ondas gravitacionais naturalmente, a menos que comece ou pare. Nossa ideia era estudar o que aconteceria quando um warp drive parasse, particularmente no caso de algo dar errado. Suponha que o campo de contenção do warp drive entrasse em colapso (um enredo básico na ficção científica); presumivelmente haveria uma liberação explosiva tanto da matéria exótica quanto das ondas gravitacionais. Isso é algo que podemos simular, e simulamos, usando a relatividade numérica.
O que descobrimos foi que o colapso da bolha de dobra espacial é de fato um evento extremamente violento. A enorme quantidade de energia necessária para dobrar o espaço-tempo é liberada como ondas gravitacionais e ondas de energia de matéria positiva e negativa. Infelizmente, é mais provável que seja o fim da linha para a tripulação da nave, que seria dilacerada pelas forças de maré.
Sabíamos que um sinal de onda gravitacional seria emitido; qualquer movimento de matéria de forma desordenada cria tal onda. Mas não podíamos prever a amplitude e a frequência, e como elas dependeriam do tamanho da região distorcida.
Ficamos surpresos ao descobrir que, para uma nave de 1 km de tamanho, a amplitude do sinal seria significativa para qualquer evento desse tipo dentro da nossa galáxia e até mesmo além. A uma distância de 1 megaparsec (um pouco mais longe do que a galáxia de Andrômeda), o sinal é semelhante à sensibilidade do nosso detector atual. No entanto, a frequência das ondas é cerca de mil vezes maior do que o alcance que elas estão observando.
Devemos ser honestos e dizer que não podemos reivindicar nosso sinal como o sinal definitivo do warp drive. Tivemos que fazer algumas escolhas específicas em nosso modelo. E nossos alienígenas hipotéticos podem ter feito escolhas diferentes. Mas como prova de princípio, isso mostra que casos além de eventos astrofísicos padrão podem ser modelados e podem ter formas e formatos distintos que podemos procurar em detectores futuros.
Nosso trabalho também nos lembra que, comparado ao estudo das ondas de luz, ainda estamos no estágio de Galileu, tirando fotos do universo na estreita faixa de frequência da luz visível. Temos todo um espectro de frequências de ondas gravitacionais ainda para explorar, que serão sensíveis a uma gama de fenômenos que acontecem no espaço e no tempo.
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