Ondas gravitacionais: o que são, de onde vêm e o que têm de importante?

Em 16 de outubro, cientistas anunciaram uma observação inédita: a detecção de ondas gravitacionais, ondulações no espaço-tempo previstas por Einstein há mais de um século, lançadas no espaço pela colisão de duas estrelas de nêutrons.

O acidente estelar, que ocorreu há 130 milhões de anos na constelação de Hydra, marca a primeira vez que astrônomos combinaram ondas gravitacionais com uma fonte visível – inaugurando uma nova era da astronomia.

A descoberta é o mais recente sucesso de uma das experiências de física mais ambiciosas (e caras) em décadas: o Observatório de Ondas Gravitacionais do Interferômetro Laser (Ligo, na sigla em inglês).

"Esta é a primeira vez que o cosmos nos forneceu o que eu chamaria de ‘filme com áudio", disse David Reitze, diretor executivo do Ligo, em evento no National Press Club em Washington, DC. "Neste caso, o ‘áudio’ da trilha sonora vem da onda [gravitacional] das estrelas de nêutrons enquanto elas estão circulando e colidindo entre si. O vídeo é a luz que vimos".

Foram semanas importantes para ondas gravitacionais. Recentemente, astrônomos revelaram a quarta detecção gerada por um conjunto de buracos negros em colisão. E, em 3 de outubro, os fundadores do Ligo, Rai Weiss, Kip Thorne e Barry Barish, ganharam o Prêmio Nobel de física pelo trabalho na detecção de ondas gravitacionais.

"As pessoas estão pensando sobre isso há 40 anos, tentando detectar algo. Às vezes falhando no início, e depois, lentamente, desenvolvendo a tecnologia para poder detectar", disse Weiss. "Estou muito emocionado por ter dado tudo certo no final, e agora realmente podemos detectar coisas e contribuir para o conhecimento sobre o que acontece no universo através de ondas gravitacionais".

Mas o que são essas ondas indescritíveis? E por que os astrônomos estão tão animados?

O que são ondas gravitacionais?

De forma simplificada, as ondas gravitacionais são ondulações no tecido rígido e duro do espaço-tempo produzidas pelos fenômenos mais violentos que o cosmos pode oferecer –  explosões e colisões entre estrelas de nêutrons ultradensas ou fusões de buracos negros, por exemplo. As ondas gravitacionais atingem a Terra o tempo todo, mas nossos instrumentos não eram sensíveis o suficiente para detectá-las até há pouco tempo.

Quem pensou no conceito de ondas gravitacionais?

Em 1916, Albert Einstein sugeriu que as ondas gravitacionais poderiam ser um resultado natural de sua teoria geral da relatividade, que diz que objetos com massas muito grandes distorcem o tecido do tempo e do espaço – um efeito que sentimos como a gravidade. Assim, objetos com massas muito grandes que se movem em espiral na direção um do outro, devem produzir rugas no espaço-tempo e enviar essas distorções pelo cosmos – como ondas que se espalham por uma lagoa – na velocidade da luz.

As ondas gravitacionais "propagam distúrbios da forma do espaço-tempo", diz Shane Larson, astrofísica da Universidade de Northwestern e membra da colaboração científica do Ligo.

Embora muitos outros cientistas tenham aceitado a previsão de Einstein, o próprio Einstein não estava totalmente convencido de que estava certo. Ao longo dos anos, ele continuou a estudar ondas gravitacionais e de vez em quando publicava documentos que refutavam sua própria teoria.

Por que é tão difícil detectar essas ondas?

Quando nos alcançam, as ondas gravitacionais, geradas em eventos muito distantes, distorcem um valor minúsculo do espaço-tempo. A distorção é inúmeras vezes menor do que a largura de um próton – uma das partículas no núcleo do átomo. A medição de tais mudanças de comprimento é impossível de ser feita pela maioria dos instrumentos.

Quando os astrônomos foram capazes de detectar ondas gravitacionais diretamente?

Na década de 70, enquanto cientistas observavam dois pulsares – estrelas de nêutron ou anãs brancas com intensa atividade magnética – orbitando um ao outro, detectaram, de forma indireta, ondas gravitacionais pela primeira vez na história. Com o auxílio do enorme radiotelescópio de Arecibo, em Porto Rico, a equipe mediu as órbitas dos dois pulsares e determinou que eles estavam se aproximando.

Para que isso ocorresse, o sistema deveria estar irradiando energia na forma de ondas gravitacionais – um insight que rendeu o Prêmio Nobel de Física de 1993 a Joe Taylor e Russell Hulse.

Porém, apenas em 2015 a equipe do Ligo detectou ondas gravitacionais diretamente, usando detectores ultrassensíveis. A descoberta colocou fim a um século de especulação e confirmou a previsão original de Einstein.

Então, como funciona o Ligo?

As instalações do Ligo consistem em dois detectores idênticos em forma de L, um no estado de Washington e outro em Louisiana. Ambos utilizam lasers e espelhos para medir pequenas mudanças no espaço-tempo causadas por radiação gravitacional. O objetivo é que cada local registre alterações mínimas na distância entre espelhos colocados em cada extremidade dos dois braços perpendiculares, cada um com 4 km de comprimento.

Um laser que percorre os espelhos registra a distância entre eles em um grau incrivelmente preciso. Como os detectores são sensíveis a eventos locais, como a passagem de caminhões, raios, ondas oceânicas e terremotos, o mesmo sinal precisa aparecer nas duas instalações, tanto em Washington quanto em Louisiana, para se configurar uma distorção no espaço-tempo.

Agora, o detector Virgo, do Observatório Gravitacional Europeu, cujo design é semelhante ao do Ligo, começou a funcionar. Com três observatórios instalados, cientistas podem identificar com mais precisão a região no céu onde deterimada onda gravitacional foi produzida. Em breve, espera-se que experiências similares sejam feitas no Japão e na Índia.

Por que devemos nos importar com essas coisas?

Desde a primeira detecção, o Ligo tem fornecido informações novas e inesperadas do cosmos. Afinal, as ondas gravitacionais são uma nova maneira de "ver" o que ocorre no espaço. Agora, podemos detectar eventos que, de outra forma, deixariam pouca ou nenhuma luz observável, como colisões de buracos negros. Nessa última detecção, em 16 de outubro, astrônomos conseguiram combinar ondas gravitacionais com formas mais tradicionais de ver o universo, ajudando a desvendar os mistérios das densas – e mortas – estrelas de nêutrons.

"A maioria de nós espera aprender coisas que ainda não sabemos", diz Weiss. "Nós conhecemos os buracos negros de outras maneiras, e conhecemos as estrelas de nêutrons, mas esperamos ver vários outros tipos de fenômenos pelas ondas gravitacionais que emitem. Isso vai criar uma nova ciência".

Espere aí. O que é uma estrela de nêutrons?

Como o próprio nome indica, as estrelas de nêutrons são feitas quase que inteiramente de nêutrons – partículas subatômicas não carregadas. Elas se formam quando uma estrela muito maior e mais brilhante do que o sol esgota seu combustível termonuclear e explode em uma violenta supernova.

Embora as camadas externas da estrela sejam destruídas e lançadas no espaço, o núcleo implode e forma uma esfera menor que Sergipe, mas com massa equivalente a, pelo menos, um Sol. Essas estrelas, que giram muito rápido, são, com exceção dos buracos negros, os objetos mais compactos do universo – uma colher de sopa do material que as compõe pesa um bilhão de toneladas.

E tudo fica ainda mais bizarro. As estrelas de nêutrons estão mortas – não fundem elementos em seu núcleo –, por isso não brilham como o Sol.

Mas isso não significa que são tranquilas. O campo magnético de uma estrela de nêutrons pode ser um quadrilhão de vezes mais forte que o da Terra, e o campo gravitacional, cem bilhões de vezes mais potente. Em outras palavras, se você quiser manter seu corpo em um só pedaço, é melhor não se aproximar.

O que aprendemos sobre essas estranhas estrelas?

Graças às ondas gravitacionais, que atuam como uma espécie de alerta cósmico, astrônomos conseguiram examinar os restos dessas estrelas de nêutrons e, entre outras coisas, contribuíram para solucionar um longo debate sobre a origem de metais preciosos, como ouro e prata, e outros metais pesados.

Antes, pensávamos que a maior parte do ouro do universo era criado por supernovas – as mortes explosivas de estrelas gigantes. Agora, cientistas descobriram que a fusão das estrelas de nêutrons terminou em uma explosão chamada kilonova que lançou uma nuvem de núcleos atômicos e gerou um volume de metais pesados equivalente a 16 mil Terras. A descoberta sugere que a maioria dos metais são forjados pela colisão de estrelas de nêutrons.

"O ouro neste relógio provavelmente foi produzido por estrelas de nêutrons que colidiram há bilhões de anos", anunciou Reitze enquanto exibia o relógio herdado do bisavô.