♦ Quando os astrônomos detectaram as primeiras ondas gravitacionais há muito previstas em 2015, isso abriu uma nova janela para o universo. Antes disso, a astronomia dependia de observações da luz em todos os seus comprimentos de onda.
Também usamos luz para nos comunicar, principalmente ondas de rádio. Poderíamos usar ondas gravitacionais para nos comunicar?
A ideia é intrigante, embora além de nossas capacidades agora. Ainda assim, há valor em explorar o hipotético, pois o futuro tem uma maneira de chegar mais cedo do que às vezes pensamos.
Uma nova pesquisa examina a ideia e como ela pode ser aplicada no futuro. É intitulado "Comunicação Gravitacional: Fundamentos, Estado da Arte e Visão de Futuro" e está disponível no servidor de pré-impressão arXiv. Os autores são Houtianfu Wang e Ozgur B. Akan. Wang e Akan estão ambos no Grupo de Internet de Tudo, Departamento de Engenharia, Universidade de Cambridge, Reino Unido.
"A descoberta das ondas gravitacionais abriu uma nova janela observacional para a astronomia e a física, oferecendo uma abordagem única para explorar as profundezas do universo e fenômenos astrofísicos extremos. Além de seu impacto na pesquisa astronômica, as ondas gravitacionais também atraíram atenção generalizada como um novo paradigma de comunicação", explicam os autores.
As comunicações eletromagnéticas tradicionais têm desvantagens e limitações definidas. Os sinais ficam mais fracos com a distância, o que restringe o alcance. Os efeitos atmosféricos podem interferir nas comunicações de rádio e difundi-las e distorcê-las. Há também restrições de linha de visão, e o clima solar e a atividade espacial também podem interferir.
O que é promissor sobre a comunicação por ondas gravitacionais (GWC) é que ela pode superar esses desafios. O GWC é robusto em ambientes extremos e perde energia mínima em distâncias extremamente longas. Ele também supera problemas que afligem a comunicação eletromagnética (EMC), como difusão, distorção e reflexão. Há também a intrigante possibilidade de aproveitar GWs criados naturalmente, o que significa reduzir a energia necessária para criá-los.
"A comunicação gravitacional, também conhecida como comunicação por ondas gravitacionais, promete superar as limitações da comunicação eletromagnética tradicional, permitindo uma transmissão robusta em ambientes extremos e grandes distâncias", apontam os autores.
Para avançar a tecnologia, os pesquisadores precisam criar ondas gravitacionais artificiais (GWs) no laboratório. Esse é um dos principais objetivos da pesquisa GW. Os GWs são extremamente fracos e apenas massas enormes se movendo rapidamente podem gerá-los. Mesmo os GWs que detectamos vindos de buracos negros supermassivos em fusão (SMBHs), que podem ter bilhões de massas solares, produzem apenas efeitos minúsculos que requerem instrumentos incrivelmente sensíveis como o LIGO para serem detectados.
Gerar GWs fortes o suficiente para detectar é um primeiro passo necessário.
"A geração de ondas gravitacionais é fundamental para o avanço da comunicação gravitacional, mas continua sendo um dos principais desafios no desenvolvimento tecnológico contemporâneo", escrevem os autores. "Os pesquisadores exploraram vários métodos inovadores para conseguir isso, incluindo ressonância mecânica e dispositivos rotacionais, materiais supercondutores e colisões de feixes de partículas, bem como técnicas envolvendo lasers de alta potência e campos eletromagnéticos."
Há muito trabalho teórico por trás do GWC, mas menos trabalho prático. O artigo aponta a direção que a pesquisa deve tomar para preencher a lacuna entre os dois.
Obviamente, não há como recriar um evento tão incrível quanto uma fusão de buracos negros em um laboratório. Mas, surpreendentemente, os pesquisadores têm considerado o problema já em 1960, muito antes de detectarmos GWs.
Uma das primeiras tentativas envolveu massas rotativas. No entanto, a velocidade de rotação necessária para criar GWs era impossível de alcançar, em parte porque os materiais não eram fortes o suficiente. Outras tentativas e propostas envolveram cristais piezoelétricos, superfluidos, feixes de partículas e até lasers de alta potência. O problema com essas tentativas é que, embora os físicos entendam a teoria por trás delas, eles ainda não têm os materiais certos. Algumas tentativas geraram GWs, pensam os cientistas, mas não são fortes o suficiente para serem detectáveis.
"Ondas gravitacionais de alta frequência, muitas vezes geradas por massas ou escalas menores, são viáveis para produção artificial em condições de laboratório. Mas eles permanecem indetectáveis devido às suas baixas amplitudes e à incompatibilidade com as sensibilidades dos detectores de corrente", explicam os autores.
São necessárias tecnologias de detecção mais avançadas ou algum método para alinhar os GWs gerados com os recursos de detecção existentes. As tecnologias existentes visam detectar GWs de eventos astrofísicos. Os autores explicam que "a pesquisa deve se concentrar no projeto de detectores capazes de operar em faixas mais amplas de frequência e amplitude".
Embora os GWs evitem alguns dos problemas que as comunicações EM enfrentam, eles não estão isentos de problemas. Como eles podem viajar grandes distâncias, o GWC enfrenta problemas com atenuação, distorção de fase e mudanças de polarização ao interagir com coisas como matéria densa, estruturas cósmicas, campos magnéticos e matéria interestelar. Isso pode não apenas degradar a qualidade do sinal, mas também complicar a decodificação.
Existem também fontes de ruído exclusivas a serem consideradas, incluindo ruído gravitacional térmico, radiação de fundo e sinais GW sobrepostos. "O desenvolvimento de modelos de canal abrangentes é essencial para garantir uma detecção confiável e eficiente nesses ambientes", escrevem os autores.
Para fazer uso de GWs, também precisamos descobrir como modulá-los. A modulação do sinal é fundamental para as comunicações. Olhe para qualquer rádio de carro e você verá "AM" e "FM". AM significa "Modulação de Amplitude" e FM significa "Modulação de Frequência". Como poderíamos modular GWs e transformá-los em informações significativas?
"Estudos recentes exploraram diversos métodos, incluindo modulação de amplitude (AM) baseada em fenômenos astrofísicos, modulação de frequência induzida por matéria escura (FM), manipulação de material supercondutor e abordagens teóricas não baseadas em métricas", escrevem os autores. Cada um deles é promissor, além de ser sufocado por obstáculos.
Por exemplo, podemos teorizar sobre o uso de matéria escura para modular sinais GW, mas nem sabemos o que é matéria escura. "A modulação de frequência envolvendo matéria escura escalar ultraleve (ULDM) depende de suposições incertas sobre as propriedades e distribuição da matéria escura", escrevem os autores, dirigindo-se a um elefante na sala.
Pode parecer que o GWC está fora de alcance, mas é tão promissor que os cientistas não estão dispostos a abandoná-lo. Nas comunicações do espaço profundo, a comunicação EM é prejudicada pelas vastas distâncias e interferência de fenômenos cósmicos. A GWC oferece soluções para esses obstáculos.
Um método melhor para se comunicar a longas distâncias é fundamental para explorar o espaço profundo, e o GWC é exatamente o que precisamos. "As ondas gravitacionais podem manter uma qualidade de sinal consistente em distâncias imensas, tornando-as adequadas para missões além do sistema solar", escrevem os autores.
A comunicação prática por ondas gravitacionais está muito distante. No entanto, o que antes era apenas teórico está gradualmente mudando para a prática.
"A comunicação gravitacional, como uma direção de pesquisa de fronteira com potencial significativo, está gradualmente passando da exploração teórica para a aplicação prática", escrevem Wang e Akan em sua conclusão. Dependerá de trabalho árduo e avanços futuros.
A dupla de pesquisadores sabe que é necessário muito trabalho duro para avançar na ideia. Seu artigo é profundamente detalhado e abrangente, e eles esperam que seja um catalisador para esse trabalho.
"Embora um sistema de comunicação por ondas gravitacionais totalmente prático permaneça inviável, pretendemos usar esta pesquisa para destacar seu potencial e estimular mais pesquisas e inovações, especialmente para cenários de comunicação espacial", concluem.
🔹 MAIS INFORMAÇÕES: Houtianfu Wang et al, Comunicação gravitacional: fundamentos, estado da arte e visão de futuro, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2501.03251
Informações da revista: arXiv
Fornecido por Universe Today
🌏 Créditos/fonte/Publicação: por Evan Gough, Universo Hoje . phys.org
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