Ondas Gravitacionais: da descoberta do ano à ciência do século
Dois buracos negros em fusão. Crédito da imagem: SXS, o projeto Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).
O anúncio de mudança mundial do LIGO foi o começo. O melhor é o que vem a seguir.
É a primeira vez que o universo nos fala através de ondas gravitacionais, até agora fomos surdos para eles. – Dave Reitze
De todas as descobertas científicas e avanços que 2016 viu, nenhuma é maior do que a primeira detecção direta de ondas gravitacionais. Quando Einstein apresentou sua teoria da Relatividade Geral pela primeira vez em 1915, ela mudou para sempre a maneira como vemos a gravitação. Em vez de duas massas se atraindo através de uma força invisível e distante, a própria matéria e energia existiam no espaço-tempo. Sua presença determinava a curvatura do espaço-tempo, e a curvatura do espaço-tempo determinava como a matéria e a energia experimentavam a gravidade. Menos de um ano depois de seu lançamento, o próprio Einstein descobriu uma tremenda implicação: massas se movendo e acelerando no espaço curvo produziriam radiação gravitacional, um tipo totalmente novo de radiação que era inteiramente distinto da radiação eletromagnética, ou luz. Mas por um século, os sonhos de detectá-lo permaneceram ilusórios.
A sensibilidade do LIGO em função do tempo, comparada com a sensibilidade do design e o design do Advanced LIGO. Os picos são de várias fontes de ruído. Crédito da imagem: Amber Stuver do Living LIGO, via http://stuver.blogspot.com/2012/06/what-do-gravitational-waves-sound-like.html .
Por um lado, a radiação gravitacional é incrivelmente sutil e fraca em seus efeitos. A Terra, ao orbitar o Sol, perde energia devido a essa radiação e espirala para dentro. Mas levará 10¹⁵⁰ anos para que esse processo ocorra, enquanto nosso Universo tem apenas 10¹⁰ anos. Se você pegar os objetos massivos mais densos e concentrados do Universo – buracos negros – e permitir que dois deles espiralem um no outro, a onda gravitacional resultante mudará a forma do planeta Terra, momentaneamente, em menos do que a largura de um próton. . Por gerações, parecia que detectar esse efeito estaria para sempre além dos limites de nossas capacidades técnicas. Mas graças a décadas de desenvolvimento na ciência da interferometria a laser, isolamento de ruído, resfriamento criogênico, câmaras de vácuo, espelhos e muito mais, os detectores gêmeos do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO), no ano passado, atingiram uma sensibilidade que poderia detectar os maiores desses eventos.
O sinal do LIGO da primeira detecção robusta de ondas gravitacionais. Crédito da imagem: Observação de ondas gravitacionais de uma fusão de buracos negros binários B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016).
Em 14 de setembro de 2015, dois buracos negros a mais de um bilhão de anos-luz de distância entraram em espiral e se fundiram. As órbitas finais foram uma questão de milissegundos, mas durante esses últimos instantes, 5% da massa combinada do buraco negro – o valor de três sóis – foi convertida de matéria em energia via E = mc² . A radiação gravitacional fez com que os lasers perpendiculares gêmeos aqui na Terra mudassem seu comprimento de caminho em apenas 10^-19 metros, o suficiente para serem detectados e correlacionados significativamente. Após meses de análise e verificação, os resultados foram incrivelmente significativos e corresponderam exatamente às previsões de Einstein. Nós tínhamos feito isso. Havíamos detectado ondas gravitacionais. Alguns meses depois, outro sinal de fusão, de dois buracos negros de massa menor, também foi visto, confirmando ainda mais as ondas gravitacionais da fusão de buracos negros.
O sinal de onda gravitacional inspiral e de fusão extraído do segundo evento do LIGO, que ocorreu em 26 de dezembro de 2015. Crédito da imagem: Figura 1 de B. P. Abbott et al. (LIGO Colaboração Científica e Colaboração Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 241103 — Publicado em 15 de junho de 2016.
O LIGO está novamente online e coletando dados agora com uma sensibilidade ainda maior para 2015–2016. Entre as coisas que espera ver estão:
- Aumento das estatísticas dos tipos de fusões já vistos.
- Mesclando buracos negros de massas solares maiores (até 100) e menores (até 3 ou 4).
- Fusões incompatíveis, onde dois buracos negros de massas significativamente diferentes se fundem.
- Fusões de estrelas de nêutrons, onde dois objetos colapsados que sobraram de supernovas – mas pequenos demais para formar um buraco negro – espiralam e se fundem.
- Ondas gravitacionais de eventos de pico, como falhas de pulsar, terremotos e até supernovas potencialmente assimétricas.
- E, esperançosamente, correlacionar as observações de ondas gravitacionais com as eletromagnéticas, para descobrir quais eventos produtores de ondas gravitacionais produzem raios X, raios gama, ondas de rádio e luz de qualquer tipo!
Tudo isso pode acontecer apenas no próximo ano ou dois. Após um século de escuridão gravitacional, entramos verdadeiramente na era da astronomia de ondas gravitacionais.
Impressão artística de dois buracos negros em fusão, com discos de acreção. A densidade e a energia da matéria aqui devem ser insuficientes para criar raios gama ou explosões de raios X. Crédito da imagem: NASA / Dana Berry (Skyworks Digital).
Mas este novo campo científico não é apenas sobre os detectores que temos hoje. À medida que o VIRGO, KAGRA e outros detectores de ondas gravitacionais estiverem online em todo o mundo, poderemos identificar exatamente onde esses eventos ocorrem. Podemos fazer observações de acompanhamento em todo o espectro de luz e espectro de ondas gravitacionais simultaneamente. Podemos optar por construir detectores de ondas gravitacionais no espaço, permitindo-nos ver as fusões de buracos negros supermassivos. Podemos até ver órbitas estáveis em torno deles, onde os efeitos da Relatividade Geral são mais importantes. Podemos colocar a maior teoria de Einstein em testes ainda mais fortes do que jamais os submetemos antes. Podemos procurar ondas gravitacionais que sobraram do nascimento do Universo.
As ondas gravitacionais serão geradas a partir da inflação se a gravidade for uma teoria inerentemente quântica. O detector certo, se quisermos construí-lo, pode encontrar essas ondas. Crédito da imagem: Colaboração BICEP2.
Em suma, podemos aprender sobre o Universo de uma maneira totalmente nova. 2016 foi um tremendo salto à frente e - após 40 anos de desenvolvimento tecnológico - nos trouxe um novo tipo de astronomia sem telescópio: a astronomia de ondas gravitacionais. O que fazemos com isso agora é limitado apenas por nossa imaginação, nosso investimento e as próprias leis da natureza. Mesmo na ausência de radiação eletromagnética, mesmo sem luz, o futuro da astronomia é mais brilhante do que nunca.
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