ondas gravitacionais - inpe · existem várias fontes astrofísicas de ondas...
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Odylio Denys Aguiar [email protected]ão de Astrofísica
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais pelas Colaborações LIGO (GWINPE- LSC) e Virgo
OndasGravitacionais
CésarA.CostaMarcosA.OkadaMárcioConstâncioJr.Tábata AiraFerreira
GWINPE
OndasGravitacionais
Ondas gravitacionais foram detectadas pela primeira vez em 14 de setembro de 2015, às 6h51 (horário deBrasília) pelos detectores gêmeos do Observatório Interferométrico de Ondas Gravitacionais LIGO (doinglês Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), localizados em Livingston, Louisiana, eHanford, estado de Washington, nos Estados Unidos, cerca de 100 anos após terem sua existência previstapor Albert Einstein, em sua teoria da Relatividade Geral. O sinal detectado era o de um par de buracosnegros espiralando um em direção ao outro, seguido do ressoar do buraco negro resultante da fusão dosdois. Esta fusão ocorreu a uma distância de ~ 1.3 bilhões de anos-luz. As massas dos buracos negros iniciaiseram de 29 M⊙ (massas do Sol) e 36 M⊙, e a massa do buraco negro resultante foi de 62 M⊙. Cercade 3.0 M⊙c2 de energia foi irradiada na forma de ondas gravitacionais. Este evento inaugurou a Astronomiade Ondas Gravitacionais, uma nova janela para observar o Universo. Outros quatro eventos envolvendotambém pares de buracos negros foram detectados: em 26 de dezembro de 2015, 04 de janeiro, 8 de junhoe 14 de agosto de 2017, este último também detectado pelo interferômetro Virgo, consolidando estaastronomia. Porém, um evento ainda mais impressionante foi observado no dia 17 de agosto de 2017, às09:41:04 (do horário de Brasília). Tratava-se do sinal em ondas gravitacionais de um par de estrelas denêutrons, que ao se fundirem, diferentemente dos pares de buracos negros, emitiram uma gama enormede ondas eletromagnéticas, que cobriram boa parte de todo o espectro, inaugurando um novo tipo deastronomia, chamada de multimensageira, envolvendo observação conjunta de ondas gravitacionais eeletromagnéticas. Nesta apresentação daremos maiores detalhes sobre estas ondas gravitacionais, osdetectores, o que já aprendemos com todas estas detecções e as consequências desta fenomenalconquista da ciência contemporânea, ganhadora do prêmio Nobel de Física de 2017. Também traçaremosas perspectivas para o futuro da recém-inaugurada Astronomia de Ondas Gravitacionais, que vairevolucionar o nosso conhecimento da física e astrofísica e, provavelmente, nos ajudar a responder às suasprincipais questões da atualidade: a matéria escura, a energia escura e como o Universo teve início.
OquesãoONDASGRAVITACIONAIS?
Emresumo:ParaNewtonaGravidadeeraumaforçaqueagiaàdistância.SeumamassamudasseasuaposiçãotodooUniversoreceberiaestainformaçãoinstantaneamenteOespaçoerainfinitamenterígido.
JáEinsteinafirmavaquenenhuminformaçãopoderiaviajaràvelocidademaiorqueadaluz.Oespaço,paraEinstein,formavacomotempoumaentidadechamadaespaço-tempo,queapesardemuitorígida,nãoerainfinitamenterígida.Asmassas,principalmenteasgrandes,causariamdeformaçãonesseespaço-tempo,eesteespaço-tempodeformadoproduziriaosefeitosatrativos.Seumamassamudasseasuaposição,estainformaçãoseriatransmitidaporondulaçõesnesseespaço-tempo queviajariamàvelocidadedaluz.EinsteinchamouestasondulaçõesdeOndasGravitacionais.
G1600858
Comopodemosdetectar/observarONDASGRAVITACIONAIS?
Duas polarizações “+” e “x”
h+ hx
ey
exez
h=DL/L=((h+)2 +(hx)2)1/2
LL+DL
Deformaçãosobre um anel
crédito:Arlette deWard
G1600858
G1600858
Provadequeelasexistem
OndasGravitacionais(OGs)realmenteexistem?
n Após meio século de debate teórico e outro meioséculo de busca observacional, ainda não haviaocorrido a confirmação de uma detecção direta.
n Uma boa evidência (observação indireta):PSR 1913+16 (Taylor & Hulse 1974)(Sistema de duas estrelas de nêutrons com período de7h45min, em que uma delas é um Pulsar)
G1600858
G1600858
crédito:KostasKokkotas
G1600858
Þ OGsdeveriamexistir,poisseriamasresponsáveispelaperda
deenergiadessesistema.
G1600858
crédito:LIGOlab
MétodosdedetecçãoedetectoresdeONDASGRAVITACIONAIS
AlgunstiposdedetectoresdeOndasGravitacionais
Interferômetrolaser
EsferaRessonante
laser
CilindroRessonante
crédito:Arlette deWard
G1600858
Joseph Weber
1a geração
Cilíndrico~ temp.
ambienteh ~ 10-15
LSU (ALLEGRO)
2a geração
Cilíndrico- 269 oC
h ~ 5 x 10-19
http://www.phys.lsu.edu/
Mario Schenberg,Brazil
(FAPESP)
MiniGRAILNetherlands
O Detector do Ondas Gravitationais
Mario SCHENBERGiniciou operação comissionadaem 8 de Setembro de 2006.
Ele envolve uma colaboração entre oINPE, USP, ITA, IFSP, UNIFESP, UNESP, UNICAMP, UESC, IAE, UFABC, PUC-Rio, UNIPAMPA, CBPFLeiden Cryogenics, UWA, LSU, OCA,e vem sendo apoiado pela
GRAVITON GROUP
5TheantennaatitsSaoPaulocitysiteforthe2015runs
h ~10-20 Hz-1/2
AlbertoSesana
TOA Residual
Pulsartiming
Fold Fold
Model
SlidefromD.ChampionPulsarTimingArraysasGravitationalWaveDetectors
http://lisa.jpl.nasa.gov/
http://www.esa.int/esaSC/120376_index_0_m.html
InterferometersinSpace:
LISA, DECIGOandBBO
LISA:InterferometersinSpace
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.061102
G1600858
1064-nmwavelengthNd:YAGlaser(Nd:Y3Al5O12)
LIGO Scientific Collaboration
G1600979_Lantz_SLACv3
G1701480
G1701480
G1701480
G1701480
FontesastrofísicasdeONDASGRAVITACIONAIS
Existemváriasfontesastrofísicasdeondasgravitacionais:
- sistemasbinárioscompactos,taiscomoparesdeburacosnegros(estelaresousupermassivos),paresdeestrelasdenêutronsouparesenvolvendoumburaconegroeumaestreladenêutrons,tantonasuafaseorbital,comonacoalescênciaering-down;- sistemasbináriosdeoutrasestrelas(anãs-brancase/ouestrelascomuns);- supernovas;- buracosnegrosemoscilação,porcausadealgoquecaiuneles;- estrelasdenêutronsemoscilação,porcausadealgoquecaiunelas;- estrelasdenêutronsemrotaçãonãoaxialmentesimétrica(presençadeuma“montanha”,porexemplo);- oBigBang eoperíodoinflacionário;- objetosastrofísicosexóticos,cujaexistênciaaindanãofoiconfirmada,taiscomo:cordascósmicas,buracosnegrosprimordiais,bolhascósmicas,estrelasdebósonseestrelasestranhas;- fundocosmológicoproduzidoporumconjuntomuitograndedefontesastrofísicas(sistemasbináriosesupernovas,principalmente).
Detodasestasfontes,asprimeirasaseremdetectadasforamsistemasbináriosdeburacosnegrosestelares,comovamosvernapróximaseção.
AAstrofísicadeONDASGRAVITACIONAISfoiinaugurada!
G1701480
and 7milliseconds later...
G1701480
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.061102
G1701480
G1701279
https://www.youtube.com/watch?v=kkKDs59zcdI
G1702111
https://www.ligo.org/detections/O1O2catalog.php
G1702111
https://www.ligo.org/detections/O1O2catalog.php
OqueaprendemoscomasprimeirasONDASGRAVITACIONAISobservadas?
GW150914 GW151012 GW151226 GW170104 GW170608
RazãoS/R 23,7 - 13,0 13 13
Taxadefalsoalarme (~400milanos)-1 - (~400milanos)-1 (70milanos) -1 (160milanos)-1
Mprimária 35,6M⊙ 23,3M⊙ 13,7M⊙ 31,0M⊙ 10,9M⊙
Msecundária 30,6M⊙ 13,6M⊙ 7,7M⊙ 20,1M⊙ 7,6M⊙
Xeff -0,01 0,04 0,18 -0,04 0,03
Massafinal 63,1M⊙ 35,7M⊙ 20,5M⊙ 49,1M⊙ 17,8M⊙
Spinfinal 0,69 0,67 0,74 0,66 0,69
Eirradiada 3,1M⊙c2 1,5M⊙c2 1,0M⊙c2 2,2M⊙c2 0,9M⊙c2
PicodeLuminosidade 3,6x 1056 erg/s 3,2x 1056 erg/s 3,4x 1056 erg/s 3,3x 1056 erg/s 3,5x 1056 erg/s
Distânciade
luminosidade
430Mpc
(1,4Ga-l)
1060Mpc
(3,5Ga-l)
440Mpc
(1,4Ga-l)
960Mpc
(3,1Ga-l)
320Mpc
(1,0Ga-l)
Redshift 0.09 0.21 0,09 0,19 0,07
DW/deg2 179 1555 1033 924 396
Tab.10.1–Parâmetrosdoseventosenvolvendoparesdeburacosnegros(a-l éanos-luz).
GW170729 GW170809 GW170814 GW170818 GW170823
RazãoS/R - - 15 - -
Taxadefalsoalarme - - (140milanos)-1 - -
Mprimária 50,6M⊙ 35,2M⊙ 30,7M⊙ 35,5M⊙ 39,6M⊙
Msecundária 34,3M⊙ 23,8M⊙ 25,3M⊙ 26,8M⊙ 29,4M⊙
Xeff 0,36 0,07 0,07 -0,09 0,08
Massafinal 80,3M⊙ 56,4M⊙ 53,4M⊙ 59,8M⊙ 65,6M⊙
Spinfinal 0,81 0,70 0,72 0,67 0,71
Eirradiada 4,8M⊙c2 2,7M⊙c2 2,7M⊙c2 2,7M⊙c2 3,3M⊙c2
PicodeLuminosidade 4,2x 1056 erg/s 3,5x 1056 erg/s 3,7x 1056 erg/s 3,4x 1056 erg/s 3,6x 1056 erg/s
Distânciade
luminosidade
2750Mpc
(9,0Ga-l)
990Mpc
(3,2Ga-l)
580Mpc
(1,9Ga-l)
1020Mpc
(3,3Ga-l)
1850Mpc
(6,0Ga-l)
Redshift 0,48 0,20 0,12 0,20 0,34
DW/deg2 1033 340 87 39 1651
Tab.10.1–Parâmetrosdoseventosenvolvendoparesdeburacosnegros(a-l éanos-luz).
RazãoS/R 32,4
Taxadefalsoalarme (1,1milhõesanos)-1
Mprimária 1,46M⊙
Msecundária 1,27M⊙
Xeff 0,00
Massafinal ≤2,8M⊙
Spinfinal ≤0,89
Eirradiada ≥0,04M⊙c2
PicodeLuminosidade ≥0,1x 1056 erg/s
Distânciade
luminosidade
40Mpc
(130Ma-l)
Redshift 0,01
DW/deg2 16
Tabela10.2–ParâmetrosdoeventoGW170817(a-l éanos-luz).
G1702111
G1702111
ComoT80South
ASTROFÍSICAMULTIMENSAGEIRA:Buscasimultâneacominstrumentosdajanelaeletromagnética
Menosdedoisanosapósaestréia daastronomiadeondasgravitacionais,GW170817marcaoiníciodeumanovaeradedescoberta.
G1702111
ThisstillfromaNASAanimationshowstheaftermathofacollisionoftwoneutronstars,whichmergedintoanobjectedcalledGW170817.GravitationalwavesfromthecollisionweredetectedonAug.17,2017.Credit:NASA'sGoddardSpaceFlightCenter/CILab
PresentedatAmaldi12byChrisVanDenBroeckhttp://www.amaldi12.org/talks
(mg <2.2x 10-58 kg)
G1702111
PresentedatAmaldi12byJocelynReadhttp://www.amaldi12.org/talks
Conclusões:1)Aprimeiraconclusãodetodaestaobservaçãomultimensageira,pelofatodopulsoderaios-gamaterchegadoapenas1,7segundosdepoisdacoalescênciadasduasestrelasdenêutrons,foiqueavelocidadedasondasgravitacionaisnãopodediferirmaisdoqueumaparteem1015 davelocidadedasondaseletromagnéticas.Destaforma,umasériedeteoriasdegravitaçãoquepreviamdiferençasdevelocidadesmaioresdoqueesta,tiveramqueserdescartadasourevisadas.
2)AsondasgravitacionaissozinhasforneceramelementossuficientesnocasodeGW170817parasetirartrêsconclusões(entreoutrastantas):novamente,aspolarizaçõesdasondasgravitacionaissãoconsistentescomanaturezatensorialeamassadográvitonnãopoderiasermaiorque~10-58 kg,resultadosqueestãoemconcordânciacomateoriadaRelatividadeGeral,epôde-sedizeralgosobreaequaçãodeestadodamatérianucleardeestrelasdenêutrons.
3)Tambémfoiconcluído,agoraapartirdascurvasdeluznoespectroeletromagnético,queochoquedasduasestrelasdenêutronsdesencadeouumeventochamadonaliteraturadeQuilonova,oqual,nocasodeGW170817,teriasidooresponsávelporproduzir,pelomenos,~0,05massassolares(oucercade17milTerras)deelementospesados,comnúmeroatômicomaiorqueodoferro,incluindoouro,platinaeurânio,demonstrandoquecoalescênciasdeestrelasdenêutronsdesempenhamumpapelnoprocessor denucleossíntesenoUniverso.
4)Finalmente,aobservaçãodeGW170817permitiuocálculodaconstantedeHubbledeformaindependentedosmétodosastronômicosclássicos.Oresultadofoiconsistentecomosvaloresobtidosanteriormenteporobservaçõesnoespectroeletromagnético.Precisõesmaioressãoprevistasemdetecçõesfuturasdeondasgravitacionais.
Conclusões:
Conclusões:
5)Infelizmente,nãofoipossívelsedeterminarseasduasestrelasdenêutrons,apóscoalescerem,formaramumaestreladenêutronsmaismassiva(de2,74M⊙)ouumburaconegro.Osinalemondasgravitacionaisqueindicariaqualteriasidooprodutofinal,foifracodemaisparaserdetectadopelosinterferômetroslaseraLIGO eVirgo.Nofuturo,estesdetectoresdeverãoestaroperandocommaiorsensibilidadee/oupodemostersortedeobservarcoalescênciamaispróximasdeestrelasdenêutrons.
EqualéofuturodaastrofísicadeONDASGRAVITACIONAIS?
crédito:LIGOlab
G1702111
PresentedatAmaldi12bySheilaRowanhttp://www.amaldi12.org/talks
PresentedatAmaldi12byDavidReitzehttp://www.amaldi12.org/talks
PresentedatAmaldi12byDavidReitzehttp://www.amaldi12.org/talks
PresentedatAmaldi12bySheilaRowanhttp://www.amaldi12.org/talks
PresentedatAmaldi12byDavidReitzehttp://www.amaldi12.org/talks
Perspectivasparaofuturodarecém-inauguradaAstronomiadeOndasGravitacionais
Períododasondasgravitacionais
MilissegundosMinutosaHorasAnosaDécadasBilhõesdeAnos
G1600858
InterferômetrosnoEspaço:
LISA, DECIGOandBBO
Tomada detempodePulsares
comRadiotelescópios
Medidas deRadiaçãoCósmica deFundoemMicroondas
Interferômetrosnosoloeesféricos
PresentedatAmaldi12byAlbertoSesanahttp://www.amaldi12.org/talks
BlackHoleAstronomyby2030
73
Red
shift
Z à
Mass [log M/M☉]à
aLIGO,aVIRGO,KAGRA
SKA,PulsarTiming
FutureEMObs.LSST,JWST,EELT
ET(proposed)
PresentedatAmaldi12byKarsten Danzmannhttp://www.amaldi12.org/talks
Courtesy ofKarsten Danzmann
0
5
10
15
20
102 103 104 105 106 107 108 109 1010
z
M
10
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100
200
500
1000
BlackHoleAstronomyby2030
74
Red
shift
Z à
Mass [log M/M☉]à
SNR
LISA
Courtesy ofKarsten Danzmann
PresentedatAmaldi12byKarsten Danzmannhttp://www.amaldi12.org/talks
PresentedatAmaldi12byKarsten Danzmannhttp://www.amaldi12.org/talks
PresentedatAmaldi12byKarsten Danzmannhttp://www.amaldi12.org/talks
A Astronomia de Ondas Gravitacionais (AOG) vai revolucionar o nossoconhecimento da física e astrofísica e, provavelmente, nos ajudar aresponder às suas principais questões da atualidade: a matéria escura,a energia escura e como o Universo teve início.
Matéria escura:- Vel. das OGs ≈ vel. dos fótonsà várias teorias descartadas;- Buracos negros (BN) primordiais existem?- Cordas cósmicas existem?- Qual a contribuição deles para a massa total da matéria escura?- OGs da explosão de Bosenovas (arXiv:1004.3558v2).
Energia escura:- BNs e ENs são laboratórios perfeitos para se observar fenômenosregidos simultaneamente pela gravitação forte e a mecânica quântica;- A Astronomia Multimensageira que inclua o canal de OGs vai fornecerinformações inéditas sobre estes fenômenos.
Credit:Scientific AmericanBrasilComooUniversoteveinício?
GravitationalWaveAstronomy
Anewwindowfortheobservationoftheuniversethatwillrevolutionizeourknowledgeofit.
Credit:Dorling Kindersley Limited and EditoraModernaLtda.
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Obrigadopelaatenção!