Ondas Gravitacionais - INPE · Existem várias fontes astrofísicas de ondas...

Odylio Denys Aguiar odylio.aguiar@inpe.brDivisão 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

20

50

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.

G1702111

Obrigadopelaatenção!