Escola e workshop aconteceram no ICTP-SAIFR e renderão edição especial de periódico científico

Participantes da escola

Entre os dias 23 e 28 de outubro, o ICTP-SAIFR (Instituto Sul Americano para Pesquisa Fundamental, localizado no prédio do IFT-Unesp) recebeu dois eventos de caráter internacional e interdisciplinar que discutiram Density Functional Theory (DFT – Teoria do Funcional da Densidade) e Quantum Information Theory (QIT – Teoria da Informação Quântica).

Primeiro, entre os dias 23 e 26, aconteceu a School on Density Functional Theory and Quantum Information Theory, voltada para estudantes e pesquisadores de áreas correlatas à DFT e à QIT. Nela, os participantes puderam se familiarizar com conceitos fundamentais das duas teorias e a interseção entre elas, além de receberem a oportunidade de apresentar suas pesquisas em duas sessões de pôster, abertas para visitação de todos do IFT. “A ideia foi trazer profissionais das duas áreas e que também trabalham na interface entre elas”, disse o Prof. Alexandre R. Rocha, do IFT, e um dos organizadores dos eventos, em relação aos professores que lecionaram na escola, de acordo com suas áreas de atuação e pesquisa.

Giovanni Vignale, professor da University of Missoury (EUA), abordou em suas aulas o lado da Informação Quântica. Christian Schilling, pesquisador da University of Oxford (Ingaterra), atacou os temas da DFT. Enquanto Irene D’amico, professora da University of York (Inglaterra), se encarregou de abordar exatamente a interface entre as duas áreas.

Em seguida à escola, entre os dias 27 e 28, aconteceu a segunda edição do Workshop on Density Functional Theory and Quantum Information Theory, que almejou reunir especialistas em QIT, DFT e pesquisadores trabalhando nas possíveis interfaces das duas, criando uma oportunidade de discussão acerca dos novos desafios e desenvolvimentos nas áreas. Os participantes da escola também estiveram no workshop, e os trabalhos aceitos para apresentação nos dois eventos estão sendo selecionados para publicação integral numa edição especial do Brazilian Journal of Physics (https://link.springer.com/journal/volumesAndIssues/13538). A primeira edição do workshop aconteceu na Unesp, campus Araraquara, em 2014.

Interface

Os assuntos abordados durante a escola e workshop trataram do encontro das duas áreas, que, segundo o Prof. Rocha, “é uma linha [de pesquisa] que começou recentemente”. A DFT é uma teoria cunhada no final década de 1960 (mas que só se tornou suficientemente precisa nos anos 1990), usada como método de cálculo de propriedades de materiais e da física de sólidos, como os sistemas de muitos corpos (many-body systems, no termo em inglês) e cálculos de densidade eletrônica. Já a QIT trata de armazenamento de informações em sistemas quânticos e tem recebido atenção nos últimos anos ao combinar conceitos fundamentais da mecânica quântica com aplicações tecnológicas. Por exemplo, a possibilidade de computadores e simulações quânticas, “bem como projetar novas nanoestruturas que tenham as propriedades corretas para o dispositivo quântico desejado”, disse a Profa. D’Amico.

A grande questão do worskshop e da escola foi como uma área pode contribuir para a outra. A Profa. D’Amico abordou essa questão em suas aulas dizendo, em resumo, que a DFT proporciona ferramentas práticas para calcular propriedades de sistemas quânticos de interação crescente, bem como prevê propriedades quânticas de novos nanomateriais, ambos dos quais são preocupações teóricas da QIT. Em contrapartida, a QIT aborda uma série de medidas de grandezas e propriedades intrínsecas da mecânica quântica (como o problema do emaranhamento) que devem estar contidas em qualquer aspecto da física de materiais, campo de atuação da DFT.

Em diversas sessões de palestras e apresentações de pôsteres, diferentes aspectos dessa interelação foram apresentados e discutidos entre pesquisadores, professores e alunos de pós-graduação, possibilitando uma troca de ideias, pontos de vista e formação de parcerias que poderão render frutos. Mas, como salientou a Profa. D’Amico, “não estamos ainda falando a mesma língua nas duas áreas”, disse ao se referir, por exemplo, ao uso de um mesmo termo (“sistemas quânticos”), que nas duas áreas possui significados relativamente distintos. “E até estarmos, é bom continuarmos conversando”.

Descoberta foi feita por colaboração global e abre nova área na astronomia

Ilustração representando a colisão das duas estrelas de nêutron (Fonte: LIGO)

A busca por ondas gravitacionais vai de vento em popa, segundo os pesquisadores da colaboração entre os observatórios LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), nos Estados Unidos, e Virgo, na Itália. Após o anúncio de sua primeira detecção em 2016, o recebimento do Prêmio Nobel mais cedo neste mês por seus idealizadores, Rainer Weiss, Kip S. Thorne e Barry C. Barish, e mais três detecções do fenômeno desde então, uma conferência de imprensa foi chamada na última segunda-feira (dia 16), em Washington. O motivo: mais uma detecção de ondas gravitacionais (a quinta desde 2015), agora provenientes da colisão de duas estrelas de nêutrons a 130 milhões de anos-luz da Terra.

As ondas gravitacionais são um fenômeno previsto por Einstein em sua teoria da relatividade, porém ocorrendo em escalas tão pequenas que a possibilidade de detectá-los permanecia envolta em ceticismo. Elas seriam causadas pela movimentação de objetos com massa no espaço-tempo (a estrutura que permeia o Cosmos e sobre o qual atua a gravidade), criando ondas, como tremores após um terremoto, ou uma pedra arremessada na superfície de um lago. A primeira detecção de ondas gravitacionais, proveniente da colisão de dois buracos negros que estiveram orbitando um ao outro a milhões de anos-luz da Terra, foi feita em 2015, após 20 anos do início da coleta de dados pelos observatórios. Desde então, outras três colisões de mesma natureza foram detectadas com sucesso. O anúncio mais recente até então havia sido feito em setembro, quando o LIGO revelou que sua colaboração com o interferômetro Virgo permitiu uma triangulação muito mais precisa do sinal.

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Cientistas representando o LIGO se reuniram em Washington para anunciar a descoberta de um  fenômeno detectado pela primeira vez na manhã do dia 17 de agosto: a colisão de duas estrelas de nêutrons. Os resultados foram publicados numa série de artigos científicos em revistas como Nature e Science, e anunciados ao público em dois painéis detalhando para imprensa e público os pormenores da descoberta.

Às 9h41 (horário de Brasília) do dia 17 de agosto, um sinal mais longo que o esperado chegou aos detectores Virgo e LIGO, com milisegundos de diferença. David Shoemaker, porta-voz da colaboração LIGO, mostrou em sua breve fala que, enquanto os sinais que os detectores captaram de colisões de buracos negros costumam durar menos de dois segundos, este se manteve por quase dois minutos. Dois segundos depois o telescópio Fermi da NASA captou um pico de raios gama vindos da mesma direção. Os membros da colaboração LIGO, cientes de estar diante de algo grande, emitiram um alerta de que havia um fenômeno importante acontecendo. Em poucas horas, 70 telescópios localizados tanto em terra quanto em órbita se voltaram para a região do cosmos em que a colisão acontecia, conseguindo captar imagens do evento em todo o espectro eletromagnético.

Dentre os primeiros a observar visualmente o fenômeno estava o time de cientistas da Dark Energy Survey (DES – colaboração internacional que busca evidências para a Energia Escura e da qual faz parte Rogerio Rosenfeld, vice-diretor do ICTP-SAIFR e professor adjunto do IFT-Unesp), que usando a Dark Energy Camera (DECam – um dos dispositivos de imagem digital mais poderosos existentes, montada no telescópio Blanco da National Science Foundation, parte do Observatório Interamericano do Cerro Tololo no Chile) conseguiram capturar imagens do evento. “Isso está além dos meus sonhos mais loucos”, disse Marcelle Soares-Santos, pesquisadora brasileira atualmente na Brandeis University, nos Estados Unidos, e que liderou o esforço pela Dark Energy Survey, que, apontando a DECam para a região do céu sugerida pelo LIGO e Virgo, investigou prontamente os corpos celestes e confirmou a descoberta, descartando qualquer outra fonte das ondas gravitacionais além da colisão. Nos dias seguintes à primeira observação, os telescópios acompanharam atentamente a evolução do evento, registrando quaisquer alterações das emissões eletromagnéticas, como luz visível, raios gama e ondas de rádio.

Descoberta

Estrelas de nêutron são corpos celestes extremamente densos, com uma massa maior que a do Sol comprimida em um espaço do tamanho de uma cidade como Nova York, criadas após a morte de uma estrela de tamanho médio, numa explosão chamada de supernova. As duas estrelas de nêutrons descobertas surgiram na galáxia NGC 4993 há milhões de anos atrás e, atraídas por suas gravidades, passaram a orbitar uma à outra, se aproximando até que, enfim, colidiram numa explosão chamada de kilonova, semelhante à supernova, porém em menor escala. A explosão, como observada pelos telescópios, produziu energia suficiente para criar elementos pesados, como ouro e platina, além das ondas gravitacionais e as radiações eletromagnéticas que foram detectadas.

Assim como a colisão de dois buracos negros que resultou na primeira detecção de ondas gravitacionais, o sistema de duas estrelas de nêutrons orbitando em conjunto já fora previsto, mas ainda não observado. “É algo que ocorre com certa regularidade em diversas galáxias”, disse Riccardo Sturani, membro do LIGO, pesquisador titular no International Institute of Physics (IIP) na UFRN em Natal (RN) e Visiting Fellow no ICTP-SAIFR. “A cada 100 mil anos por galáxia, aproximadamente. Mas é difícil de observar, pois não sabemos quando irá acontecer. Ninguém estava esperando quando [a detecção] aconteceu”. Apenas por esse fato, a descoberta anunciada na manhã de segunda-feira já é algo impressionante, porém não se limita a isso. Com ressaltaram os 14 cientistas que compuseram os dois paineis, foi também a primeira vez que detectaram ondas gravitacionais bem como emissões em todo o espectro de ondas eletromagnéticas (como luz, por exemplo, mas também raios gama e ultravioleta) provindas da mesma colisão. “Os raios gama são detectados diariamente chegando à Terra, mas não sabemos se provém de fenômenos semelhantes. Com os dados gravitacionais, poderemos realizar mais descobertas desse tipo e descobrir as fontes dessas emissões”, completou o Professor Sturani.

Combinar essas duas formas de detecções seria análogo a ouvir trovões e ver relâmpagos pela primeira vez, e abre um novo leque de possibilidades e novas descobertas científicas. Por exemplo, o fato de terem sido detectadas ao mesmo tempo confirma que as ondas gravitacionais se movem à velocidade da luz. David Reitze, da universidade americana Caltech e diretor executivo do LIGO comparou, durante o anúncio, a combinação de ondas gravitacionais e luz como “semelhante à transição de filmes mudos para filmes com som.”

“Bem-vindos à era da astronomia de ondas gravitacionais”, disse Laura Cadonati, pesquisadora da universidade Georgia Tech.