Uma das previsões mais inesperadas da Teoria Geral da Relatividade de Einstein é a existência não apenas de matéria, radiação e outras formas de energia baseadas em partículas, mas também a própria radiação gravitacional, uma “onda” fundamental no tecido do espaço-tempo. Este é um dos conceitos mais difíceis de entender, e nosso leitor deseja saber mais sobre este tópico:
Ondas gravitacionais são perturbações do espaço-tempo viajando a uma velocidade de c. No entanto, o espaço-tempo pode se expandir e contrair mais rapidamente. Mas a expansão, seguida pela contração, é, de fato, a definição de uma onda de compressão. Parece ser um paradoxo: as ondas gravitacionais se movem com a velocidade c, mas para elas parece haver a possibilidade de movimento superluminal. Como resolver isso?
Para começar, vamos começar com o conceito dessa radiação e como ela aparece.
No eletromagnetismo, mesmo no clássico, existem apenas duas coisas necessárias para o aparecimento da radiação eletromagnética: a carga e o campo pelo qual ela se move. Uma carga elétrica pode ser positiva (como um próton) e negativa (como um elétron) e, se se mover em um campo magnético, acelerará e girará, enviando-a em uma trajetória cíclica ou espiral.
Quanto mais forte o campo, maior a velocidade e maior a taxa de carga / massa, maior a aceleração (ou mudança de movimento).
Mas nessas interações, energia e momento devem ser conservados; portanto, no eletromagnetismo toda vez que uma carga é acelerada por um campo externo, ela deve emitir radiação. Ele se manifesta na forma de fótons e é chamado, dependendo do método de ocorrência, radiação
bremsstrahlung (alemão: Bremsstrahlung),
ciclotron ou
síncrotron .
Na física newtoniana, não haveria radiação gravitacional, mas a relatividade geral de Einstein muda tudo. Fontes maciças - como partículas - têm um análogo da carga gravitacional, e o espaço curvo é um análogo do campo gravitacional. Cada vez que uma partícula maciça se move em um espaço curvo, e pode ser fortemente curvada ao lado de uma estrela, uma anã branca, uma estrela de nêutrons ou um buraco negro, ela emitirá um análogo da radiação eletromagnética: a radiação gravitacional.
Essa nova forma de radiação não será um fóton ou outro tipo de radiação, mas uma onda gravitacional que se propaga no próprio tecido do espaço. Para uma massa da ordem da Terra, girando em torno do Sol, a radiação gravitacional é tão pequena que uma mudança perceptível na órbita deve levar cerca de
10.140 eras do Universo. Nós nunca iremos perceber isso. Mas para sistemas com massas maiores, distâncias mais curtas e campos mais fortes, as consequências são mais graves: para pulsares duplos, orbitando em torno de um buraco negro supermassivo no centro de nossa galáxia ou mesclando buracos negros. Nesses casos, pode-se observar uma diminuição na órbita e, devido à necessidade de economizar energia, sabemos que algo a tira.
Deve ser radiação gravitacional (também são ondas gravitacionais) e, graças à observação de pulsares duplos, sabemos que a velocidade dessa radiação deve ser igual à velocidade da luz com uma precisão de 0,2%! Em outras palavras, as ondas se movem pelo espaço na mesma velocidade que os fótons. A principal diferença é que, no caso da radiação gravitacional, essas ondas são parte integrante do tecido do espaço.
Então, o que acontece se essas ondas, como descritas na pergunta do leitor, não são criadas em um espaço estático, mas em um Universo em expansão? Eles se esticam e se expandem, assim como os fótons.
O comprimento de onda de um fóton viajando em um universo em expansão se estende junto com a expansão do espaço. A concentração e a energia dessas partículas diminuem e, embora sempre se propagem à velocidade da luz, a distância entre a fonte e o observador aumenta. Por exemplo, no começo do quente Big Bang, 13,8 bilhões de anos atrás, depois de apenas 10 a
33 segundos após a inflação:
• O fóton que chegou até nós hoje estaria a apenas 100 metros de nós 13,8 bilhões de anos atrás.
• Ele viajaria 13,8 bilhões de anos, e 13,8 bilhões de anos-luz em um universo em expansão, e seu comprimento de onda aumentaria em 28 ordens de magnitude.
• A fonte do fóton que hoje nos chegou seria a 46,1 bilhões de anos-luz de nós.
Parece loucura? Essa mesma loucura está acontecendo com as ondas gravitacionais! Ondulações gravitacionais também devem se propagar através do Universo em expansão, também se mover no espaço na velocidade da luz (em expansão ou não), e seu comprimento de onda se estende como fótons. As ondas gravitacionais "cavalgam" no tecido do espaço da mesma maneira que as ondas de água "cavalgam" na superfície da água. Se você atirar uma pedra em um rio, as ondulações não se espalharão apenas para fora ao longo do raio. Ele se espalhará para fora e, ao mesmo tempo, será levado pelo rio.
As ondulações gravitacionais no tecido do espaço se comportam aproximadamente da mesma maneira: as ondas se movem na velocidade com que sempre se movem no meio - na velocidade da luz c - mas às vezes o meio também se move. Isso não significa que eles excedam a velocidade da luz, assim como os fótons não a excedem quando estão a 46 bilhões de anos-luz da fonte de onde começaram sua jornada 13,8 bilhões de anos atrás. As ondas gravitacionais se comportam como deveriam. A contrapartida da compactação e expansão é realmente muito boa. Uma onda passageira distorce o tecido do espaço, e todas as coisas e partículas nele, esticando e comprimindo-os de uma certa maneira.
Mas ele se espalha pelo Universo à velocidade da luz e leva em conta como o tecido do espaço se comporta: se expande, se contrai ou permanece estático. Esta é a solução para o paradoxo: as ondas viajam a uma velocidade c, independentemente do que acontece com o ambiente pelo qual elas passam!