(Phys.org) - Usando dados das primeiras ondas gravitacionais detectadas no ano passado, junto com uma análise teórica, os físicos mostraram que as ondas gravitacionais podem oscilar entre duas formas diferentes chamadas ondas gravitacionais do tipo "g" e "f". Os físicos explicam que esse fenômeno é análogo à maneira como os neutrinos oscilam entre três sabores distintos - elétron, muon, e tau. As ondas gravitacionais oscilantes surgem em uma teoria modificada da gravidade chamada gravidade bimétrica, ou "bigravidade, "e os físicos mostram que as oscilações podem ser detectáveis ​​em experimentos futuros.

Os pesquisadores, Kevin Max, um estudante de doutorado na Scuola Normale Superiore di Pisa e INFN Pisa, Itália; Moritz Platscher, um estudante de doutorado no Instituto Max Planck de Física Nuclear, Alemanha; e Juri Smirnov, um pós-doutorado na Universidade de Florença, Itália, publicaram um artigo sobre sua análise das oscilações das ondas gravitacionais em uma edição recente da Cartas de revisão física .

Como explicam os físicos, o trabalho pode ajudar a responder à questão de que "os outros 95%" do universo são feitos, sugerindo que a resposta pode estar em modificações da gravidade, em vez de novas partículas.

"Apenas 5% da matéria é de um tipo que pensamos entender corretamente, "Smirnov disse Phys.org . "Para abordar a questão de que nosso universo é feito ('matéria escura' e 'energia escura'), a maioria dos autores discute modelos alternativos de física de partículas com novas partículas. Contudo, experimentos como os do LHC [Large Hadron Collider] não detectaram nenhuma partícula exótica, ainda. Isso levanta a questão de se talvez o lado gravitacional precise ser modificado.

“No nosso trabalho, perguntamos quais sinais podemos esperar de uma modificação da gravidade, e acontece que a bigravidade apresenta um sinal único e pode, portanto, ser discriminada de outras teorias. A recente detecção de ondas gravitacionais pelo LIGO [Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory] abriu para nós uma nova janela sobre os setores escuros do universo. Se a natureza escolheu a relatividade geral, bigravidade, ou qualquer outra teoria é uma questão diferente no final. Podemos apenas estudar possíveis sinais para os experimentalistas procurarem. "

Dois grávitons em vez de um

Atualmente, a melhor teoria da gravidade é a teoria da relatividade geral de Einstein, que usa uma única métrica para descrever o espaço-tempo. Como resultado, as interações gravitacionais são mediadas por uma única partícula hipotética chamada gráviton, que não tem massa e, portanto, viaja à velocidade da luz.

A principal diferença entre relatividade geral e bigravidade é que bigravidade usa duas métricas, g e f. Considerando que g é uma métrica física e acopla a matéria, f é uma métrica estéril e não liga para importar. Em bigravidade, as interações gravitacionais são mediadas por dois grávitons, um dos quais tem massa e o outro não tem massa. Os dois grávitons são compostos de diferentes combinações (ou superposições) das métricas ge f, e assim eles se acoplam à matéria circundante de maneiras diferentes. A existência de duas métricas (e dois grávitons) na estrutura de bigravidade eventualmente leva ao fenômeno de oscilação.

Como explicam os físicos, a ideia de que pode existir um gráviton com massa existe desde quase tanto tempo quanto a própria relatividade geral.

"A teoria da relatividade geral de Einstein prevê um mediador (o 'gráviton') das interações gravitacionais, que viaja na velocidade da luz, ou seja, que não tem massa, "Disse Max." No final dos anos 1930, as pessoas já estavam tentando encontrar uma teoria contendo um mediador com massa, e, portanto, viaja a uma velocidade menor do que a velocidade da luz. Isso acabou sendo uma tarefa muito difícil e só foi realizada recentemente em 2010. Bigravity é uma variação desta estrutura de 2010, que apresenta nenhum, mas duas métricas dinâmicas. Apenas um deles tem importância, enquanto o outro não; e uma combinação linear deles torna-se massiva (mais lenta do que a velocidade da luz), enquanto o outro não tem massa (velocidade da luz). "

Oscilações

Os físicos mostram que, no quadro da bigravidade, à medida que as ondas gravitacionais são produzidas e se propagam através do espaço, eles oscilam entre os tipos g e f - embora apenas o tipo g possa ser detectado. Embora pesquisas anteriores tenham sugerido que essas oscilações possam existir, parecia levar a resultados não físicos, como uma violação da conservação de energia. O novo estudo mostra que as oscilações podem teoricamente emergir em um cenário físico realista ao considerar as massas de gráviton que são grandes o suficiente para serem detectadas pelos testes astrofísicos atuais.

Para entender essas oscilações, os cientistas explicam que, em muitos aspectos, eles se assemelham às oscilações de neutrinos. Embora os neutrinos venham em três sabores (elétron, muon, e tau), normalmente os neutrinos produzidos em reações nucleares são neutrinos de elétrons (ou anti-neutrinos de elétrons) porque os outros são muito pesados ​​para formar matéria estável. De maneira semelhante, em bigravidade, apenas os pares g métricos importam, então, as ondas gravitacionais produzidas por eventos astrofísicos, como fusões de buracos negros, são do tipo g, pois as ondas gravitacionais do tipo f não se acoplam à matéria.

"A chave para entender o fenômeno de oscilação é que os neutrinos de elétrons não têm uma massa definida:eles são uma superposição dos três estados próprios de massa do neutrino, "Platscher explicou." Mais matematicamente falando, a matriz de massa não é diagonal na base do sabor (elétron-muon-tau). Portanto, a equação de onda que descreve como eles se movem através do espaço irá misturá-los e, portanto, eles 'oscilam'.

"O mesmo é verdade na bigravidade:g é uma mistura do gráviton massivo e sem massa, e, portanto, conforme a onda gravitacional viaja pelo Universo, ele oscilará entre ondas gravitacionais do tipo g e f. Contudo, só podemos medir o primeiro com nossos detectores (que são feitos de matéria), enquanto o último passaria por nós sem ser visto! Isso seria, se bigravidade é uma descrição correta da natureza, deixa uma marca importante no sinal da onda gravitacional, como mostramos. "

Como observam os físicos, a semelhança entre os neutrinos e as ondas gravitacionais se mantém, embora a oscilação dos neutrinos seja um fenômeno da mecânica quântica que é descrito pela equação de onda de Schrödinger, ao passo que a oscilação da onda gravitacional não é um efeito quântico e, em vez disso, é descrita por uma equação de onda clássica.

Um efeito particular que os físicos prevêem é que as oscilações das ondas gravitacionais levam a modulações de deformação maiores em comparação com as previstas pela relatividade geral. Esses resultados sugerem um caminho para detectar experimentalmente as oscilações das ondas gravitacionais e encontrar suporte para a bigravidade.

"Visto que a bigravidade é uma teoria muito jovem, ainda há muito a ser feito, e seu potencial para abordar as deficiências de nossas teorias precisa ser explorado, "Smirnov disse." Tem havido algum trabalho nesse sentido, mas certamente ainda há muito a ser feito e esperamos contribuir também no futuro! ”

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