LIGO-VIRGO detecta a primeira onda gravitacional de três detectores
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, mas você nunca sabe o que a natureza reserva. Crédito da imagem: NASA / Dana Berry (Skyworks Digital).
Três olhos são muito melhores do que dois. Aqui está o porquê.
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
Faz menos de dois anos desde que a colaboração LIGO detectou seu primeiro evento de onda gravitacional direta, causado pela fusão de dois buracos negros a mais de um bilhão de anos-luz de distância. Desde então, o LIGO detectou fusões adicionais: de buracos negros mais próximos, de sinais que duram mais tempo e de buracos negros ainda menos massivos que o primeiro evento. Mas no início deste ano, os detectores gêmeos em Hanford, WA e Livingston, LA se juntaram a um terceiro interferômetro a uma distância enorme: o detector VIRGO na Itália. Em 14 de agosto, o primeiro sinal com os três interferômetros funcionando completou sua jornada através do Universo para chegar à Terra, onde foi detectado em cada um deles. Com três detectores em funcionamento observando o Universo simultaneamente, agora podemos identificar as localizações dessas fontes como nunca antes.
O ruído (em cima), a deformação (no meio) e o sinal reconstruído (em baixo) em todos os três detectores. Crédito da imagem: The LIGO Scientific Collaboration e The Virgo Collaboration.
Quando você tem um sinal aparecendo em um detector, você pode obter uma estimativa aproximada de sua distância de você (com incertezas), mas sem informações sobre sua direção. Um segundo detector não apenas fornece outra estimativa de distância, mas a diferença de tempo entre os dois sinais fornece algumas informações sobre a distância, permitindo que você se restrinja a um arco no céu. Mas um terceiro detector, com uma terceira diferença de tempo, permite identificar um único ponto, embora com incertezas significativas. É daí que vem a palavra triangulação, pois você precisa de três detectores para identificar um local de origem. Isso é exatamente o que VIRGEM foi capaz de dar.
Vista aérea do detector de ondas gravitacionais Virgo, situado em Cascina, perto de Pisa (Itália). O Virgo é um interferômetro gigante a laser Michelson com braços de 3 km de comprimento e complementa os detectores gêmeos LIGO de 4 km. Crédito da imagem: Nicola Baldocchi / Colaboração Virgo.
Muito impressionante, o sinal no detector VIRGO chegou apenas 6 milissegundos após os sinais observados nos detectores LIGO. As linhas de base muito longas entre esses detectores, com LIGO nos EUA e VIRGO em um continente totalmente diferente, do outro lado do oceano, permitiram um estreitamento da localização do sinal como nunca antes.
Localização da fonte do GW170814 no céu. A parte esquerda da figura compara as regiões do céu selecionadas pelas diferentes análises como as mais prováveis de conter a fonte do sinal GW170814, com as três regiões sobrepostas dando a localização mais provável. Crédito da imagem: The LIGO Scientific Collaboration e The Virgo Collaboration.
Isso fornece a primeira oportunidade para a medição de um tridimensional polarização da onda gravitacional, onde o espaço se estende e se contrai em duas direções perpendiculares. E com a rede de três detectores, eles foram, pela primeira vez, capazes de confirmar esse aspecto da radiação gravitacional. O acordo com a Relatividade Geral é, como você pode esperar, absolutamente perfeito.
Esta figura mostra reconstruções dos quatro sinais de ondas gravitacionais confiáveis e um candidato (LVT151012) detectados pelo LIGO e Virgo até o momento, incluindo a detecção mais recente GW170814 (que foi observada em todos os três detectores). Crédito da imagem: LIGO/Virgo/B. Farr (Universidade de Oregon).
A velocidade do sinal, a consistência entre todos os três detectores e a amplitude da tensão no aparelho nos dizem quais são as massas, períodos e propriedades do par inspiratório de buracos negros. Essas primeiras detecções são absolutamente incríveis, mas a informação adicional que você obtém da posição é o que transformará as observações de ondas gravitacionais de uma nova maneira de observar um Universo para uma maneira que se integra ao céu eletromagnético. Nossos telescópios não são bons o suficiente em todo o céu para ver uma região incrivelmente grande, como aquelas para as quais conseguimos restringir os sinais de eventos anteriores. Mas se você puder saber, rapidamente, de onde esse sinal de onda gravitacional se originou, você pode, de repente, procurar uma contraparte óptica genuína.
Esta projeção tridimensional da Via Láctea em um globo transparente mostra as prováveis localizações dos três eventos de fusão de buracos negros confirmados observados pelos dois detectores LIGO — GW150914 (verde escuro), GW151226 (azul), GW170104 (magenta) — e uma quarta detecção confirmada (GW170814, verde claro, canto inferior esquerdo) que foi observada pelos detectores Virgo e LIGO. Também é mostrado (em laranja) o evento de menor significância, LVT151012. Crédito da imagem: LIGO/Virgo/Caltech/MIT/Leo Singer (imagem da Via Láctea: Axel Mellinger).
À medida que o LIGO e o VIRGO melhoram, as incertezas sobre essas medições diminuem, o que significa que a região do céu onde essas ondas gravitacionais foram geradas diminuirá de tamanho e será identificada mais rapidamente, permitindo um acompanhamento mais rápido com telescópios como Hubble, Fermi e, no futuro, James Webb. Há um grande número de perguntas associadas a essas fusões que ainda não foram respondidas:
- As fusões de buracos negros envolvem emissões eletromagnéticas de discos de acreção?
- Existe um resquício da fusão, como há para as explosões de raios gama?
- Alguma matéria é aquecida ou ejetada e, em caso afirmativo, em que grau e magnitude?
- Quais são os prazos das consequências ou precursores da fusão?
À medida que mais detectores ficam online (como o KAGRA no Japão ou o próximo detector LIGO na Índia), e à medida que a sensibilidade melhora, podemos não apenas esperar ver fusões com mais precisão, mas podemos começar a vê-las mais cedo, com maior frequência, e para buracos negros de massas mais baixas.
LIGO e VIRGO descobriram uma nova população de buracos negros com massas maiores do que o que havia sido visto antes apenas com estudos de raios-X (roxo). As três detecções previamente confirmadas pelo LIGO (GW150914, GW151226, GW170104), mais uma detecção de menor confiança (LVT151012), são mostradas junto com a quarta detecção confirmada (GW170814); este último foi observado pelos observatórios Virgo e LIGO. Estes apontam para uma população de buracos negros binários de massa estelar que, uma vez fundidos, são maiores que 20 massas solares – maiores do que se conhecia antes. Crédito da imagem: LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet).
Esse tipo de novo conhecimento pode servir não apenas para aprimorar o que sabemos sobre como o Universo funciona, mas pode ser uma fonte de inspiração para o que é possível quando a humanidade, em todo o mundo e em observatórios, trabalha em conjunto para o benefício de todos nós para alcançar uma maior compreensão do Universo. Hoje, a publicação e o anúncio são oficiais: já vimos quatro fusões de buracos negros binários e o primeiro em três detectores ao mesmo tempo, identificando sua localização e medindo a polarização 3D de uma onda gravitacional pela primeira vez. Com o passar do tempo, podemos esperar resultados mais rápidos, melhores sinais e aumento do número de eventos em todo o espectro de massa. Um novo tipo de astronomia está sobre nós, e nunca mais veremos o Universo da mesma maneira.
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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