Aprovado o Sucessor do LIGO; Vai descobrir novas fontes incríveis de ondas gravitacionais
A impressão de um artista das três espaçonaves LISA mostra que as ondulações no espaço geradas por fontes de ondas gravitacionais de período mais longo devem fornecer uma nova janela interessante sobre o Universo. Crédito da imagem: EADS Astrium.
Conheça a LISA, a Antena Espacial com Interferômetro a Laser. Sim, é LIGO gigante, no espaço, e está acontecendo!
A teoria gravitacional de Einstein, que se diz ser a maior conquista da física teórica, resultou em belas relações conectando fenômenos gravitacionais com a geometria do espaço; esta foi uma ideia excitante. – Richard Feynman
Três vezes nos últimos dois anos, o LIGO detectou diretamente ondas gravitacionais: as ondulações no espaço-tempo criadas à medida que as massas aceleradas mudam sua posição em um campo gravitacional. Cada conjunto de movimentos massivos de maneira periódica e para frente e para trás cria essas ondulações, seja um humano movendo os punhos para fora do peito, um pulsar giratório passando por um terremoto, uma explosão de supernova ou duas massas orbitando uma à outra. Embora o LIGO seja mais sensível para detectar as ondas gravitacionais de buracos negros binários nos estágios finais de inspiração e fusão, o fato é que qualquer massa orbitando qualquer outra cria essas mesmas ondas e que a esmagadora maioria das órbitas leva muito mais tempo do que as frações -de-segundo que o LIGO é sensível. É isso que LISA, a antena espacial de interferômetro a laser, foi projetada para detectar. E ontem, em um anúncio incrível , a A Agência Espacial Europeia decidiu adicionar oficialmente o LISA à sua lista de missões , anunciando uma data de lançamento de 2034.
A órbita da Terra ao redor do Sol gera ondas gravitacionais, ainda que pequenas, assim como todas as massas que se movem e aceleram na presença de uma fonte gravitacional. Crédito da imagem: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab.
Mesmo nossa Terra orbitando o Sol emite ondas gravitacionais. O problema com massas menores e distâncias maiores é que as ondas emitidas são tremendamente fracas, criando sinais muito pequenos, praticamente indetectáveis. Este é um bom negócio para a Terra, que levará 10.150 anos para espiralar em direção ao Sol devido à energia irradiada pelas ondas gravitacionais; eles carregam muito pouca energia para afetar nossa órbita de qualquer maneira que importe. Mas qualquer par de massas em órbita criará, em escalas de tempo correspondentes ao período de uma órbita, ondulações no espaço que comprimem e alongam as dimensões de qualquer coisa por onde passe.
A premissa básica do LIGO é tão simples quanto possível: construir a maior câmara de vácuo do mundo, com muitos quilômetros de extensão, e disparar um laser nela. Perpendicular a ele, construa outro, idêntico, e divida o laser de modo que metade da luz desça por este novo braço, enquanto metade desça pelo original. Reflita a luz de volta ao longo do caminho, talvez configurando várias reflexões (o LIGO usa cerca de mil) para aumentar artificialmente a sensibilidade do detector e, em seguida, reconstruir a luz no final. À medida que os comprimentos dos braços mudam devido à passagem de ondas gravitacionais, o padrão de interferência da luz reconstruída muda, permitindo-nos detectar os efeitos das ondas gravitacionais.
Em sua essência, um sistema como LIGO ou LISA é apenas um laser, disparado através de um divisor de feixe, enviado por dois caminhos perpendiculares idênticos e depois recombinado para criar um padrão de interferência. À medida que os comprimentos dos braços mudam, o padrão também muda. Crédito da imagem: colaboração LIGO.
Com sua sensibilidade e tamanho atuais, o LIGO pode detectar os estágios finais de pares de buracos negros-buracos negros de inspiração e fusão. Com avanços planejados em direção à sua sensibilidade de design final (que agora são em perigo graças aos cortes NSF ), o LIGO também poderia detectar a fusão de pares de estrelas de nêutrons-estrelas de nêutrons. Mas para detectar sistemas maiores, como objetos orbitando e caindo em buracos negros supermassivos, você precisa de braços de laser mais longos e eliminar o ruído sísmico. Há um plano para isso: ir para o espaço.
A missão LISA Pathfinder foi uma missão bem-sucedida de prova de conceito que abre o caminho para a LISA voar. A missão bem-sucedida foi lançada em 2015 e o LISA foi aprovado para 2034. Crédito da imagem: ESA/Manuel Pedoussaut.
O incrível sucesso da missão LISA Pathfinder demonstrou que colocar massas no espaço - em queda livre gravitacional - e disparar lasers entre elas daria uma medida tão precisa quanto fazê-lo aqui na Terra. Apenas no espaço, existem três tremendas vantagens.
- Você não precisa criar um vácuo artificialmente; o vácuo do espaço é livre e melhor do que qualquer coisa que possamos criar na Terra.
- Você não precisa mais lidar com o ruído sísmico; sem caminhões, trens, atividade humana, terremotos ou mesmo placas tectônicas, a maior fonte de ruído é sumariamente removida do aparato experimental.
- E você não está limitado pelo tamanho e curvatura da Terra para o tamanho de seus braços de laser. Na verdade, você pode exceder muito o tamanho da Terra em termos do que pode medir.
Uma representação artística da configuração das três espaçonaves LISA, voando em formação, com dois dos braços de laser ativos. Crédito da imagem: AEI/MM/exozet.
A ideia básica do LISA é pilotar três naves espaciais em formação, com as três em órbita atrás da Terra. Mesmo que a espaçonave se desvie ao longo do tempo, o fato de estarem em queda livre gravitacional significa que seremos capazes de calcular – e explicar – esses efeitos. Por ter braços de laser muito mais longos, será sensível a períodos de tempo muito mais longos e, portanto, a objetos que tenham sinais de frequência mais baixa. Em vez de procurar objetos que completam órbitas em milissegundos, ele pode procurar aqueles com períodos de segundos, minutos, horas ou até mais.
A ilustração da inspiração e fusão de duas estrelas de nêutrons, um evento gerador de ondas gravitacionais. Crédito da imagem: NASA.
Claro, o LIGO, com seus braços curtos, pode ser a melhor ferramenta para inspirar e fundir rapidamente objetos, como buracos negros ou pares de estrelas de nêutrons nos estágios finais da fusão. Mas um observatório como o LISA poderia ajudá-lo a identificar esses objetos muito antes da fração de segundo final da fusão; pode ajudá-lo a vê-los com meses ou anos de antecedência. Quando as distâncias orbitais estão a milhares de quilômetros de distância de seu centro de massa, esses objetos de inspiração lenta fariam um sinal periódico ao qual o LISA seria exatamente sensível. Pode até ser capaz de obter sistemas de anãs brancas-anãs brancas: os precursores de um tipo de supernova Tipo Ia. Pela primeira vez, poderíamos prever uma fusão como essa com antecedência, em escalas de tempo em que poderíamos observar o evento cataclísmico diretamente.
O buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia, Sagitário A*, brilha intensamente em raios-X sempre que a matéria é devorada. Tais eventos também devem gerar ondas gravitacionais. Crédito da imagem: Raio-X: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI.
O grande avanço do LISA, no entanto, será a capacidade de detectar objetos em espiral e se fundindo com os buracos negros supermassivos nos centros das galáxias. Estrelas e outras formas de matéria estão constantemente caindo em buracos negros no centro galáctico, tanto em nossa própria galáxia quanto além. Esses eventos geralmente resultam na ejeção de matéria, na aceleração de partículas carregadas e na emissão de luz de rádio e raios-X. Mas também devem resultar na emissão de ondas gravitacionais, e o LISA será sensível a elas. Pela primeira vez, poderemos ver buracos negros supermassivos em ondas gravitacionais.
O par de buracos negros mais massivo do Universo conhecido é OJ 287, que estará fora do alcance de LISA. No entanto, fontes mais compactas e semelhantes seriam identificáveis. Crédito da imagem: Ramon Naves do Observatório Montcabrer.
E, finalmente, existem pares de buracos negros supermassivos que existem no Universo, onde vários grandes buracos negros eventualmente se fundem, formando um buraco negro ainda maior. O maior desses pares conhecido, OJ 287, ainda tem um período orbital de 11 a 12 anos, onde um buraco negro de 100 milhões de massa solar orbita um de 17 bilhões de massa solar. Este é provavelmente um período muito longo para o LISA ver, mas se existem órbitas mais estreitas, onde o período é de apenas semanas ou meses, em vez de anos, o LISA deve ser capaz de identificá-los.
A grande vantagem é que um conjunto totalmente distinto de classes de objetos – massivos, periódicos e em escalas de tempo mais longas – poderá ser visto em comparação com o que o LIGO é sensível.
As sensibilidades de uma variedade de detectores de ondas gravitacionais, antigos, novos e propostos. Observe, em particular, Advanced LIGO (em laranja), LISA (em azul escuro) e BBO (em azul claro). Crédito da imagem: Minglei Tong, Class.Quant.Grav. 29 (2012) 155006.
Enquanto o LIGO avançado, em laranja, acima, é apenas sensível a eventos de ondas gravitacionais em escalas de tempo de menos de um segundo, o LISA será capaz de detectar eventos que variam de muitos segundos a anos. A vantagem de estar no espaço não apenas oferece um sinal mais limpo sem ruído sísmico, juntamente com um vácuo livre, mas também oferece uma linha de base incrivelmente longa. As três espaçonaves, trabalhando juntas voando em formação, devem facilmente atingir distâncias de linha de base de muitas dezenas de milhares, senão centenas de milhares, de quilômetros. Comparado com os braços LIGO de quatro quilômetros, é realmente um feito incrível de se imaginar.
Ilustração das flutuações da densidade (escalar) e da onda gravitacional (tensor) decorrentes do fim da inflação. Embora o LISA não consiga detectar essas ondas, uma missão sucessora poderá. Crédito da imagem: National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, relacionado) — Programa BICEP2 financiado.
Mas mesmo LISA não será capaz de ver todas as ondas gravitacionais que existem. Não será sensível o suficiente, ou nas frequências certas, para detectar as ondas gravitacionais restantes da inflação cósmica. Essas ondas, a assinatura mais antiga dos momentos da criação do nosso Universo observável, devem existir com um conjunto de frequência e magnitude específico que é impresso nos primeiros 10 a 33 segundos do Universo. Para detectar essas ondas, precisaríamos de algo semelhante ao LISA, mas um pouco mais avançado: a missão sucessora proposta: Big Bang Observer.
Se a NASA tivesse mantido o cronograma original do final dos anos 2000, o Big Bang Observer poderia ter voado em 20 anos. Agora, está parecendo a década de 2040, no mínimo. Crédito da imagem: Gregory Harry, MIT, do workshop LIGO de 2009, LIGO-G0900426.
Ao montar três (ou quatro) desses observatórios no estilo LISA em três locais diferentes na órbita da Terra ao redor do Sol, poderíamos detectar as ondas gravitacionais de período mais longo que existem. A capacidade de criar uma linha de base que não é limitada pelo tamanho da Terra, mas sim pela órbita da Terra ao redor do Sol, abrirá uma infinidade de fontes invisíveis, incluindo os pares de buracos negros ultramassivos que serão invisíveis para o LISA.
A LISA foi originalmente concebida como uma missão potencial da NASA, mas uma série de cortes e escolhas para seguir em uma direção diferente comprometeram totalmente a viabilidade da LISA. Graças ao arrojado investimento da Agência Espacial Europeia, LISA deve ganhar vida em 2034 . Com alguma sorte, será um salto tão grande para a astronomia de ondas gravitacionais quanto o Telescópio Espacial Hubble foi para a astronomia óptica. O Universo está lá fora, e estamos prontos para descobri-lo como nunca antes.
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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