Física fundamental e LIGO

Resumo

Ondas gravitacionais são ondulações que se propagam na geometria do espaço-tempo, produzidas pelo deslocamento acelerado de objetos astrofísicos massivos ou por fontes cosmológicas, que foram detectadas pela primeira vez pelo Advanced Laser Interferometer Gravitational Observatory (LIGO) em Setembro de 2015, quando o sinal originário de buracos negros coalescentes foi observado. Desde então, durante as aquisições de dados 1, 2 e 3, que duraram em total dois anos, foram detectados 90 eventos de sistemas binários de objetos compactos (buracos negros ou estrelas de nêutrons), entre os quais o espectacular fusão de duas estrelas de nêutrons, que gerou não somente ondas gravitacionais, mas também radiação oriunda de todo o espectro eletromagnético. No momento em que escrevo esse projeto (Março 2022) os preparativos para O4, ou seja, a quarta tomada de dados, estão fervendo, com previsão para retomada das observações para o final deste ano 2022. No âmbito da física das ondas gravitacionais, a linha de pesquisa proposta tem como objetivo a maximização das informações físicas e astrofísicas que podem ser deduzidas das detecções, resultado que depende crucialmente da disponibilidade de forma de ondas precisas. Sistemas binários em fusão são privilegiados para o estudo do problema de dois corpos em Relatividade Geral e representam uma fonte de informação para a gravidade fundamental, astrofísica e cosmologia. Seus sinais dependem da dinâmica que governa o movimento dos componentes do sistema binário, que até hoje é confirmada pela Relatividade Geral. Trabalhos recentes mostraram através de cálculos clássicos que a dinâmica de dois corpos massivos pode ser obtida com métodos emprestados do cálculo de amplitudes de espalhamento em teoria quântica de campos, que já foram muito eficazes em descobrir estruturas profundas em física de partículas. O objetivo desse projeto é conectar o programa de amplitude à física das ondas gravitacionais. Um melhor conhecimento da dinâmica gravitacional terá um impacto na Astronomia das ondas gravitacionais, além da física fundamental. Na Astronomia é de fundamental importância entender o mecanismo de formação dos sistemas binários: para esclarecê-lo é crucial ter uma melhor estimativa dos parâmetros astrofísicos das fontes, o que também requer uma melhor modelagem, especialmente para os modos secundários das ondas gravitacionais. Na cosmologia, sistemas binários são "standard sirens" que permitem uma nova medida da distância de luminosidade, que é o ingrediente fundamental, junto como redshift (mas que não pode ser determinado com observações gravitacionais),para determinar o histórico da expansão cosmológica e o conteúdo de matéria do Universo. Diferentes tipo de analise deve ser empregados no caso de standard sirens "luminosas", ou seja, com controparte eletromagnética que permite a determinação do redshift, ou pretas, no qual caso a determinação do redshift pode ser efetuada só estatisticamente, graça a correlação com outras informações astrofísicas, como catálogos de galáxias ou distribuição em redshift esperada. Em ambos os casos, a precisão da medida cosmológicas pode ser aprimorada graça as medidas do impacto da energia escura na taxa de crescimento da estrutura a grandes escalas. (AU)