Ondas gravitacionais ganham o Prêmio Nobel de Física de 2017, a fusão definitiva de teoria e experimento
Uma simulação de computador, utilizando as técnicas avançadas desenvolvidas por Kip Thorne e muitos outros, permite-nos desvendar os sinais previstos que surgem em ondas gravitacionais geradas pela fusão de buracos negros. Crédito da imagem: Werner Benger, cc by-sa 4.0.
Um prêmio merecido pela descoberta de mais de um século.
Bem, eu entrei no Edifício 20 e dei uma olhada nos vários pequenos laboratórios. Havia um monte de gente fazendo algo que me pareceu meio interessante, e como eu conhecia toda essa eletrônica, perguntei a eles: Olha, você pode usar um cara? E eu me vendi como técnico por cerca de dois anos.
– Rai Weiss, no início de sua carreira de física no MIT
Em um momento de mais de 100 anos, o Prêmio Nobel de Física de 2017 acaba de ser concedido a Rainer Weiss (1/2), Kip Thorne (1/4) e Barry Barish (1/4), pelo trabalho pioneiro na descoberta das ondas gravitacionais. Weiss, um experimentalista que primeiro concebeu o uso da interferometria para esse propósito, Thorne, um teórico que ajudou a desvendar os sinais que vários fenômenos astrofísicos produziriam, e Barish, um mestre da instrumentação que liderou o LIGO durante seus desenvolvimentos cruciais na década de 1990 e além , estão certamente entre os mais merecedores deste prémio. No entanto, eles eram apenas três de um grande número de pessoas envolvidas no planejamento, construção e formação da colaboração LIGO, que em 2015 detectou diretamente as ondulações de uma onda gravitacional pela primeira vez. Enquanto toda a glória vai para os mais de 1.000 membros da colaboração LIGO ao longo de mais de 40 anos de história, a história da detecção experimental de ondas gravitacionais remonta muito mais longe. O Prêmio Nobel de 2017 é o culminar de trabalhos teóricos e experimentais que remontam a Einstein.
As ondulações no espaço, produzidas por massas inspiradoras em um forte campo gravitacional, foram detectadas aqui na Terra pela primeira vez em apenas 2015. Isso marca um dos períodos mais curtos na história do Prêmio Nobel entre uma descoberta científica e o prêmio concedido, mesmo embora o LIGO estivesse em construção há 40 anos. Crédito da imagem: Colaboração Científica LIGO, Equipe de Comunicações e Educação do IPAC.
Quando a Relatividade Geral entrou em cena, trouxe uma nova maneira de olhar para o Universo: com matéria e energia existentes no tecido do espaço-tempo. A matéria e a energia diziam ao espaço-tempo como se curvar; o espaço-tempo curvo, por sua vez, dizia à matéria e à energia como se mover. Uma série de consequências decorrentes dessa nova teoria foram logo derivadas, incluindo a existência de buracos negros, o fato de que as massas agiam como uma lente gravitacional, a necessidade de um Universo em expansão ou contração e a existência de um novo tipo de radiação: radiação gravitacional. Quando uma partícula massiva se movia pelo espaço onde a curvatura mudava de um ponto para o outro, ela não tinha escolha a não ser emitir ondas gravitacionais para conservar energia e momento. Os detalhes imploravam para serem resolvidos.
À medida que ondulações no espaço decorrentes de ondas gravitacionais distantes passam pelo nosso Sistema Solar, incluindo a Terra, elas comprimem e expandem levemente o espaço ao seu redor. Em meados da década de 2010, primeiro os detectamos com sucesso e robustez. Crédito da imagem: Observatório Gravitacional Europeu, Lionel BRET/EUROLIOS.
O próprio Einstein previu as ondas gravitacionais como consequência de sua teoria, depois voltou atrás e se convenceu de que não poderiam existir. Após 20 anos mudando de ideia, ele escreveu um artigo na década de 1930 com Nathan Rosen, convencido de que as ondas gravitacionais eram meros artefatos matemáticos da Relatividade Geral. O papel foi rejeitado Revisão Física , como árbitro Howard Robertson, um dos quatro cientistas para quem a solução do universo em expansão da relatividade é nomeado, encontraram erros críticos em seu trabalho. A discussão continuou na década de 1950, com Rosen afirmando que as ondas gravitacionais não podiam transportar energia e, portanto, não eram físicas. Mas Felix Pirani, Richard Feynman e Hermann Bondi provaram que . A chave agora era prever e detectá-los.
As ondas gravitacionais se propagam em uma direção, expandindo e comprimindo alternadamente o espaço em direções mutuamente perpendiculares, definidas pela polarização da onda gravitacional. Crédito da imagem: M. Pössel/Einstein Online.
Do lado teórico, ficou claro quais propriedades as ondas gravitacionais tinham. Como eles se propagaram, comprimindo e expandindo alternadamente o espaço em direções perpendiculares, e quanta energia eles carregavam. As ondas mais fortes foram geradas pelas maiores massas passando pelo movimento mais rápido através dos espaços-tempos mais fortemente curvados: na vizinhança de objetos colapsados como anãs brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros. Desenvolvimentos na relatividade numérica, incluindo expansões perturbativas das leis de Newton que incorporaram esses efeitos de campo forte, permitiram aos cientistas calcular quais sistemas produziriam ondas gravitacionais e em que medida. Com o desenvolvimento de computadores ultrapoderosos, os modelos para prever as formas de onda das ondas gravitacionais abundaram e tornaram-se cada vez mais precisos.
Joseph Weber com seu detector de ondas gravitacionais de estágio inicial, conhecido como barra de Weber. Crédito da imagem: Coleções especiais e arquivos universitários, bibliotecas da Universidade de Maryland.
Na extremidade experimental, Joseph Weber foi o primeiro a criar um sistema para detectar ondas gravitacionais: uma série de barras ressonantes que foram colocadas no vácuo e eram extremamente sensíveis a quaisquer ondas gravitacionais de uma determinada frequência que viajassem pelo espaço. Embora Weber tenha reivindicado detecções a partir da década de 1960, seus resultados não puderam ser reproduzidos, combinando com a teoria que previa ondas muito fora do alcance do que suas barras seriam sensíveis. Por outro lado, evidências indiretas de ondas gravitacionais vieram de pulsares – estrelas de nêutrons de rotação rápida – que orbitavam outras estrelas de nêutrons. À medida que essas duas massas compactas giravam uma em torno da outra, seus períodos decaíam: evidência de que a energia estava sendo levada. Para onde foi essa energia? Tinha que ser ondas gravitacionais.
À medida que várias massas no espaço fortemente curvado orbitam umas às outras, o movimento através desse espaço curvo faz com que a energia seja emitida na forma de ondas gravitacionais. Décadas antes do LIGO detectar diretamente essas ondas, o efeito indireto que elas tiveram no tempo do pulsar foi visto de forma robusta. Essas ondas precisavam ser reais e carregar energia real! Crédito da imagem: NASA (L), Instituto Max Planck de Radioastronomia / Michael Kramer.
Russel Hulse e Joseph Taylor ganhou o Prêmio Nobel há 24 anos por seu trabalho no primeiro pulsar binário, que foi feito nas décadas de 1960 e 1970. Nos anos 1970, também, foi de onde surgiu a ideia do LIGO. Claro, o espaço se expandiria em uma dimensão enquanto se contraia em uma perpendicular, oscilando para frente e para trás, desde que uma onda gravitacional passasse por eles. Rai Weiss foi quem primeiro concebeu a ideia de usar um interferômetro para fazer a detecção e fez contribuições incríveis no projeto inicial e na técnica de instrumentação; Weiss recebe metade do prêmio este ano.
O Observatório LIGO Hanford para detecção de ondas gravitacionais no estado de Washington, EUA, é um dos três detectores operacionais que trabalham em conjunto hoje, juntamente com seu gêmeo em Livingston, LA, e o detector VIRGO, agora online e operacional na Itália. Crédito da imagem: Laboratório Caltech/MIT/LIGO.
Thorne foi um defensor teórico e um dos pioneiros no trabalho numérico que permitiu que vários sistemas – como os buracos negros de inspiração e fusão que o LIGO finalmente viu – fossem previstos. Sem essas previsões extremamente precisas sobre quais sinais cada sistema deve produzir, seria impossível saber qual sinal deve ser procurado em meio ao ruído. Enquanto isso, Barry Barish foi um mestre construtor dos detectores de ondas gravitacionais e uma força motriz por trás da transformação do LIGO de uma ideia no incrível conjunto de observatórios que é hoje. Ele assumiu o projeto em 1994, ressuscitou a ideia fracassada e a transformou em um conjunto de detectores tão impressionantes que poderiam detectar a fusão de buracos negros a mais de um bilhão de anos-luz de distância, algo que já foi realizado quatro vezes. Thorne e Barish dividem a outra metade do prêmio Nobel.
Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne são os ganhadores do Prêmio Nobel de Física de 2017. Crédito da imagem: Nobel Media AB 2017.
A detecção de ondas gravitacionais não apenas vale um Prêmio Nobel, mas transformou nossa ideia do que é possível em astronomia. Vários detectores, instalados em todo o mundo, podem identificar a localização de uma fonte; pode detectar os atrasos de tempo entre os detectores, confirmando que a velocidade da gravidade é igual à velocidade da luz; pode medir a orientação/polarização dos sinais e muito mais. Buracos negros serão detectados, no futuro, em massas cada vez mais baixas, à medida que a astronomia de ondas gravitacionais se torna cada vez mais precisa e mais detectores se tornam on-line. E, eventualmente, até mesmo estrelas de nêutrons e outras fontes produtoras de luz terão suas ondas detectadas diretamente, inaugurando uma era em que as ondas gravitacionais e a astronomia tradicional baseada em telescópios se sobrepõem.
Kip Thorne, Ron Drever e Robbie Vogt, o primeiro diretor do LIGO, muito antes de Barry Barish assumir e transformar o LIGO no incrível conjunto de observatórios que é hoje. Crédito da imagem: os Arquivos, Instituto de Tecnologia da Califórnia.
O Prêmio Nobel de Física de 2017 pode ter sido concedido a três indivíduos que fizeram uma contribuição notável para o empreendimento científico, mas é uma história sobre muito mais do que isso. É sobre todos os homens e mulheres ao longo de mais de 100 anos que contribuíram, teórica, experimentalmente e observacionalmente, para a nossa compreensão do funcionamento preciso do Universo. A ciência é muito mais do que um método; é o conhecimento acumulado de todo o empreendimento humano, reunido e sintetizado para o melhoramento de todos. Embora o prêmio de maior prestígio tenha sido agora para as ondas gravitacionais, a ciência desse fenômeno está apenas em seus estágios iniciais. O melhor está por vir.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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