O que é uma Onda Gravitacional ?

Albert Einstein: as ondas gravitacionais são uma consequência inevitável da sua teoria da Relatividade Geral.
A existência de OG encontra-se tão intimamente ligada à teoria da Relatividade Geral de Einstein publicada em 1916, que a impossibilidade de as detectar com as propriedades previstas poria claramente em causa a teoria. Mais ainda, qualquer teoria da gravitação que obedeça ao princípio da relatividade proibe a propagação instantânea de interacções e necessariamente implica a existência de ondas gravitacionais. De acordo com a relatividade geral qualquer aceleração assimétrica numa massa produz ondas gravitacionais que se propagam à velocidade da luz. É preciso no entanto algum cuidado com a forma como se interpreta a propagação de uma onda gravitacional. De facto, as ondas gravitacionais não se propagam no espaço-tempo da mesma forma que uma onda electromagnética se propaga no vazio: uma onda gravitacional é uma perturbação no espaço-tempo e forma com este uma entidade indivisível. Outra característica extremamente importante das OG é a sua polarização. Uma OG pode apresentar dois estados independentes de polarização, normalmente designados por + e x. A polarização de uma OG contém informação adicional sobre a sua fonte.

Embora as OG constituam uma consequência inevitável de qualquer teoria relativistica da gravitação, é curioso notar que desde o início mesmo defensores da Relatividade Geral tão notáveis como Sir Arthur Eddington terão tido algumas dúvidas acerca da sua realidade física. De facto, Eddington sugeriu que as ondas gravitacionais poderiam representar simplesmente uma perturbação nas coordenadas do espaço-tempo e como tal não seriam observáveis e a certa altura terá mesmo comentado num tom irónico que as OG "viajam à velocidade do pensamento". Foi necessário esperar até ao final dos anos 50 do Séc. XX (mais de 30 anos após o aparecimento da Relatividade Geral) para que Sir Herman Bondi e colaboradores demonstrassem de uma forma invariante e independente do sistema de coordenadas que as OG transportam energia e momento e a massa de um sistema que radie OG deve portanto diminuir. Foram precisos no entanto mais alguns anos para que fosse encontrada evidência observacional indirecta para a perda de energia sob a forma de ondas gravitacionais num sistema astrofísico.

Pulsar binário: A dissipação de energia sob a forma de ondas gravitacionais causa um decréscimo do período orbital.

A descoberta em 1974 de um pulsar num sistema binário por Joseph Taylor, então professor na Universidade do Massachusetts, e pelo seu estudante Russel Hulse veio finalmente produzir evidência (embora indirecta) da realidade física das OG. Após a descoberta do pulsar binário PSR1913+16, cedo se tornou claro que este era constituido por dois objectos compactos com raios da ordem das dezenas de quilómetros, mas massas da ordem da massa solar, a uma curta distância um do outro, da ordem da distância da Terra à Lua. Um tal sistema apresentava todo o potencial para se tornar um laboratório privilegiado para testar a Relatividade Geral. Mais de quatro anos de observção cuidada por Taylor e colaboradores conduziram finalmente a uma medição da variação no período orbital do sistema de 75 milionésimos de segundo por ano. Este pequeno mas signifivativo decréscimo do período orbital pode ser explicado pela perda de energia do sistema sob a forma de radiação gravitacional. Uma das consequências do decréscimo do período orbital é a aproximação dos dois objectos que formam o binário numa dança da morte que conduzirá à destruição de ambos. Nos instantes imediatamente anteriores ao desfecho macabro para o pulsar e a companheira, a teoria prevê um aumento espectacular na emissão de ondas gravitacionais até à coalescência dos dois objectos.

Apesar da variação observada no período orbital ser quase insignificante a diferença entre este valor e a previsão da Relatividade Geral é menor que 1% ! Apesar deste acordo espectacular entre a teoria e a observação, têm sido feitas tentativas para explicar o decréscimo do período orbital que não envolvem a perda de energia pela emissão de ondas gravitacionais. Convém aqui salientar que esta é uma atitude perfeitamente normal e desejável em ciência: quando um resultado resiste a tentativas de invalidação e explicações alternativas, torna-se necessariamente mais forte. Embora alguns dos cenários alternativos que prescindem das OG não sejam de todo inviáveis, quase todos envolvem hipóteses que dificilmente podem ser testadas e nenhum é tão elegante e simples como a solução fornecida pela Relatividade Geral.

Em face de todo este entusiasmo, convém deixar aqui bem claro que o pulsar binário não oferece uma prova directa para a existência de ondas gravitacionais e não substitiu de forma alguma a detecção directa. Em particular, a astronomia de ondas gravitacionais fornece-nos uma janela sobre o Universo que tem até agora permanecido fechada e dificilmente poderá ser acessível de outro modo:
  • Uma vez que as OG são produzidas pelo movimento das suas fontes como um todo e não dependem dos movimentos individuais de átomos ou electrões (como no caso da radiação electromagnética), a informação por elas fornecida é completamente diferente da informação fornecida por outras fontes. Por exemplo no caso do pulsar binário, a informação fornecida pela polarização das OG revela a inclinação da órbita em relação à linha de observação. Este parâmetro é crucial na modelização destes sistemas e não é facilmente acessível por outros meios.
  • As ondas gravitacionais fornecem a única maneira de observar directamente um buraco negro.
  • Uma vez que a sua interacção com a matéria é tão fraca, as OG não são dispersas ou atenuadas durante a sua viajem até ao observador. Processos que ocorrem no interior de sistemas astrofísicos ou no Universo imediatamente após o Big Bang e que não são acessíveis por nenhum outro método podem ser observados através das OG por eles produzidas.