Quanto sabemos realmente sobre o que mais existe no universo?
Tomemos um exemplo estranho. Se houvesse alienígenas voando ao redor de nossa galáxia com o tipo de tecnologia de dobra que costumamos ver em programas de ficção científica, como seria o sinal de suas naves? Talvez, surpreendentemente, a nossa investigação mostre que temos as ferramentas para responder a esta questão, independentemente de tais coisas realmente existirem.
Telescópios que usam luz para sondar o espaço agora podem ver quase até o limite do que é observável. Cada nova frequência que exploramos – desde raios gama e raios X até infravermelho e rádio – nos ensinou algo novo e inesperado.
Em 2015, um novo tipo de telescópio, um detector chamado Ligo, foi ligado, não em busca de ondas de luz, mas de ondas gravitacionais, que são “ondulações” invisíveis no espaço e no tempo. Mais uma vez a natureza surpreendeu-nos com um sinal denominado GW150914 proveniente de um par de buracos negros. Cada um tinha cerca de 30 vezes a massa do nosso Sol, fundindo-se numa violenta colisão a 1,4 mil milhões de anos-luz de distância.
Desde então, as ondas gravitacionais tornaram-se uma nova ferramenta essencial para os estudiosos que exploram o universo. Mas ainda estamos no início de nossas explorações. Que sinais poderemos ver nos dados e eles mudarão a forma como vemos a física do cosmos?
Há, no entanto, uma questão mais prática que muitas vezes passa despercebida: se algo existe, como o reconheceríamos?
Da ficção científica à ciência séria
Você pode ter visto warp drives em séries como Jornada nas Estrelas. Um motor 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 que a velocidade da luz, em um motor de dobra podemos trapacear diminuindo nossa distância. Portanto, o tempo que leva para ir de A a B é menor que o tempo que a luz leva em outro caminho não comprimido.
O salto da ficção científica para a ciência real foi feito pelo físico teórico Miguel Alcubierre em 1994, quando se inspirou para modelar um motor de dobra 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 (matérias). Normalmente, começamos conhecendo as “coisas”. Por exemplo, sabemos que temos uma bolha de matéria que representa um planeta ou estrela. Em seguida, colocamos essas coisas nas equações para determinar como o espaço-tempo se curva. E a forma como se curva diz-nos a gravidade que mediríamos em torno do objeto.
Como um objeto curva o espaço-tempo.
Fotografia: Design Cells/Getty Images
Poderíamos dizer que é exatamente isso que a imagem da gravidade de Isaac Newton faz: fornecer uma relação entre a massa de um objeto e a força gravitacional que ele exerce. E você estaria certo. Mas o conceito de curvatura espaço-tempo dá origem a uma gama de fenómenos muito mais rica do que uma simples força. Ele permite um tipo de gravidade repulsiva que impulsiona a expansão do nosso universo, cria dilatação do tempo em torno de objetos massivos e ondas gravitacionais no espaço-tempo e – pelo menos em teoria – torna possíveis os impulsos de dobra.
Alcubierre abordou o seu problema na direção oposta à habitual. Ele sabia que tipo de curvatura do espaço-tempo queria. Era aquele em que um objeto poderia navegar em uma região de espaço-tempo distorcido. Então, ele trabalhou de trás para frente para determinar o tipo de configuração de matéria necessária para criar isso. Não foi uma solução natural das equações, mas sim algo “feito sob encomenda”. Não era exatamente o que ele teria pedido. Ele descobriu que precisava de matéria exótica, algo com 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 materiais com energias negativas, quase tudo que conhecemos parece ter energia positiva. Mas na física quântica, observamos que podem ocorrer violações pequenas e temporárias da positividade da energia e, portanto, “nenhuma energia negativa” não pode ser uma lei absoluta e fundamental.
De Warp Drives a Ondas
Dado o modelo de Alcubierre do motor de dobra espaço-tempo, podemos começar a responder à nossa pergunta original: como seria um sinal proveniente 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 barulhentos, o que significa que muitas vezes precisamos saber aproximadamente como é um sinal para podermos retirá-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 modelar muitos tipos diferentes de eventos, para que possamos combinar o sinal com o seu tipo; caso contrário, poderemos ser tentados a descartá-lo como ruído ou a rotulá-lo erroneamente como uma fusão de buraco negro.
Um problema com o impulso de dobra espaço-tempo é que ele não emite ondas gravitacionais naturalmente, a menos que comece ou pare. Nossa ideia era estudar o que aconteceria quando um motor de dobra parasse, principalmente no caso de algo dar errado. Suponha que o campo de contenção do motor de dobra tenha entrado em colapso (um enredo básico na ficção científica); presumivelmente, haveria uma liberação explosiva tanto de matéria exótica quanto de ondas gravitacionais. Isso é algo que podemos simular, e fizemos, usando a relatividade numérica.
O que descobrimos foi que o colapso da bolha da warp drive é de facto um acontecimento extremamente violento. A enorme quantidade de energia necessária para distorcer o espaço-tempo é liberada tanto como ondas gravitacionais quanto como ondas de energia positiva e negativa da matéria. Infelizmente, é muito provavelmente o fim da linha para a tripulação do navio, que seria dilacerada pelas forças das marés.
Velocidade de dobra, Scotty!
Sabíamos que um sinal de onda gravitacional seria emitido; qualquer movimento desordenado da matéria cria essa onda. Mas não podíamos prever a amplitude e a frequência, e como estas dependeriam do tamanho da região distorcida.
Ficámos surpresos ao descobrir que, para uma nave com o tamanho de 1 quilómetro, a amplitude do sinal seria significativa para qualquer evento deste tipo dentro da nossa galáxia e mesmo fora dela. A uma distância de 1 megaparsec (um pouco mais longe que a galáxia de Andrômeda), o sinal é semelhante à sensibilidade do nosso detector de corrente. No entanto, a frequência das ondas é cerca de mil vezes maior do que o alcance que observam.
Deveríamos ser honestos e dizer que não podemos reivindicar o nosso sinal como o sinal definitivo do motor de dobra. Tivemos que fazer algumas escolhas específicas em nosso modelo. E nossos hipotéticos alienígenas podem ter feito outros diferentes. Mas, como prova de princípio, mostra que casos além dos eventos astrofísicos padrão podem ser modelados e podem ter formas distintas 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. Ainda temos todo um espectro de frequências de ondas gravitacionais a explorar, que serão sensíveis a uma série de fenómenos que ocorrem no espaço e no tempo.
