Encontradas! Ondas gravitacionais, ou uma distorção no espaço-tempo

Após cerca de um século, a difícil caçada por um tesouro cósmico terminou. Com a ajuda de lasers e espelhos, cientistas têm observado diretamente ondas gravitacionais, ou curvaturas na própria trama do espaço-tempo.

Dois buracos negros em colisão, um com 36 vezes a massa do Sol, e outro com 29, emitiram as ondas gravitacionais conforme se espiralaram um dentro do outro e eventualmente colidiram.

A quase 1,3 bilhões de anos-luz de distância, essas ondas se espalharam como oscilações no reservatório cósmico e chegaram na Terra dia 14 de setembro, causando uma minúscula, porém mensurável, mudança na distância entre quatro conjuntos de espelhos – dois em Louisiana, e dois no estado de Washington.

No último segundo antes dos buracos negros se fundirem, eles soltaram juntos 50 vezes mais energia do que todas as estrelas em todas as galáxias estavam soltando.

“É a primeira vez que o universo falou conosco em ondas gravitacionais”, disse David Reitze do Caltech durante uma entrevista coletiva anunciando a descoberta no dia 11 de fevereiro de 2016.

Para os cientistas que monitoram esse experimento de espelhos no Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO, na sigla em inglês), o sinal recebido na Terra tinha o som característico previsto para acompanhar a morte e unificação de dois buracos negros.

“Nós conseguimos ouvir as ondas gravitacionais, nós conseguimos ouvir o universo", disse Gabriela Gonzalez da Universidade Estadual de Louisiana. "Não vamos somente ver o universo, também seremos capazes de escutá-lo."

Trata-se uma descoberta que muitos dizem ser capaz de ganhar o Prêmio Nobel – algo que tem sido especulado por semanas, senão meses, desde que os rumores da descoberta começaram a espalhar pelas redes sociais.

Sinta as vibrações

Previstas primeiramente por Einstein em 1916, as ondas gravitacionais estão entre as partes mais paradoxais da sua teoria geral da relatividade. Elas são produzidas por eventos extremos – como a colisão de buracos negros, fusão de estrelas de nêutrons ou explosão de estrelas – que são energéticos e violentos o bastante para distorcer a resistente e rígida estrutura do espaço-tempo, fazendo com que se expanda e contraia.

Mas como você pode imaginar, essas mudanças geralmente não são perceptíveis. Se fossem, nós veríamos relógios funcionando de maneira estranha e paisagens se alongando e se compactando o tempo todo. Mesmo assim, ondas gravitacionais estão passando por nós agora mesmo, diz Alan Weinstein, que conduz a equipe LIGO no Caltech. "Eu aposto meu braço esquerdo que isso é verdade. E eu sou canhota."

Isso significa que conforme essas ondas extremamente poderosas atravessam a Terra, seus efeitos são extremamente difíceis de medir. O alongamento e compactação do espaço é muito pequeno, diz Weinstein, uma onda gravitacional passando não poderia mudar a distância entre duas pessoas sentadas a um metro de distância para 10-21 metros. Isso se dá na medida de milionésimos de diâmetro de um próton, uma das partículas que formam o núcleo de um átomo.

Mas coloque dois espelhos a quatro quilômetros de distância, como o LIGO fez, e o efeito da onda gravitacional estará na medida de dez-milésimos de diâmetro de um próton. “ Isso nós podemos fazer”, diz Weinstein.

O LIGO usa dois detectores em forma de L idênticos colocados a um continente de distância, um em Livingston, Louisiana, e o outro em Hanford, Washington. Para uma onda gravitacional ser considerada real, ela deve aparecer nos dois detectores, que são feitos de dois conjuntos de espelhos posicionados perpendiculares um ao outro. Uma onda gravitacional passando vai alongar o espaço-tempo em uma direção e comprimir ele em outra, causando uma pequena mudança inconcebível na distância dos braços dos detectores, que é medido por um laser.

O aparelho é o dispositivo de medição mais sensível no planeta, e, além das ondas gravitacionais, pode detectar as vibrações de caminhões que passam, terremotos, raios caindo a milhares de quilômetros de distância, sinais de satélites posicionados globalmente e pulsos eletromagnéticos na atmosfera mais alta da Terra. Todo esse barulho tem que ser filtrado para capturar o sinal minúsculo de ondas gravitacionais.

Após décadas de planejamento e drama político, os detectores do LIGO tentaram primeiro ouvir as ondas gravitacionais em 2002. Após oito anos de silêncio, eles foram desligados em 2010 e isolados contra barulho de interferência.

Então, quando as observações do Advanced LIGO começaram de novo em 18 de setembro, os cientistas estavam otimistas que iriam conseguir detectar alguma coisa.

Por um estranho capricho do destino, eles já tinham uma detecção. Os detectores estiveram ligados e funcionando antes da corrida oficial de observação começar e já captaram um sinal muito tentador. Ele chegou primeiro no detector em Louisiana e apareceu em Washington sete milissegundos depois.

“Quando aconteceu, estávamos muito confiantes de que era algo bom. Ficamos pensando que era muito bom para ser verdade? Com certeza. Minha reação foi, uau. Eu não conseguia acreditar nisso”, disse Reitze.

Quando buracos negros colidem

Usando um punhado de equações de Einstein, os cientistas rastrearam as ondas observáveis para determinar que tipo de evento astrofísico era. Nesse caso, essas equações sugeriram que dois buracos negros colidindo eram os culpados e que, quando se uniram, formaram um novo buraco negro com um pouco mais de 60 massas solares.

Formados pela morte e colapso massivo de estrelas, os buracos negros estão entre os objetos mais estranhos do universo, se é que podemos chamá-los de "objetos". É fácil pensar em um buraco negro sendo um conjunto de matéria tão densa que sua gravidade prende tudo que chega muito perto, até mesmo a luz. Mas buracos negros são menos coisas ou objetos do que regiões de espaço-tempo muito curvo e sem fundo. Portanto, quando dois buracos negros se fundem, o evento não é nada comum.

É uma espécie de distúrbio no espaço curvo, mudando rapidamente”, descreveu Weinstein.

Na colisão que o LIGO detectou, os dois buracos negros se espiralaram vagarosamente um ao redor do outro por milhões ou bilhões de anos. Conforme os dois corpos se aproximavam, suas órbitas se aceleraram até que, eventualmente, eles estavam rodopiando um ao redor do outro a cerca de metade da velocidade da luz, emitindo gigantescas quantidades de energia na forma de ondas gravitacionais entortando o espaço.

Então, os buracos negros se fundiram. Nos últimos dois segundos antes desse evento, os rodopiantes buracos negros emitiram mais energia que todo o universo emite em todas as formas de radiação. Depois da fusão, o gigantesco buraco negro oscilou um pouco antes de parar, emitindo o que é conhecido como reverberações, ou um tipo de último suspiro antes de se acalmar.

É uma história impressionante, contada pelas infinitamente minúsculas mudanças na distância entre os espelhos na Terra.

"Os dados são incríveis”, disse o astrônomo Scott Ransom do National Radio Astronomy Observatory, que leu o manuscrito da equipe, publicado na Physical Review Letters. Ver as ondas nos resultados "puros" do detector, sem nenhuma massagem estatística especial, é mais do que qualquer um estava esperando .

Os cientistas da equipe LIGO estão confiantes de que o sinal é real. Na verdade, eles calcularam que um alarme falso tão convincente não iria chegar mais do que uma vez a cada 200.000 anos. Isso não é verdade por conta de todas as detecções de ondas gravitacionais em potencial que a equipe coletou até agora. O LIGO encontrou ao menos mais um sinal em potencial em 12 de outubro produzido por buracos negros se fundindo, mas os cientistas não conseguem dizer se é ou não um alarme falso.

Nova era, novas buscas

A descoberta marca a primeira vez que cientistas concretizaram ondas gravitacionais, mas não é a primeira vez que provaram sua existência. Em 1974, Joe Taylor e Russell Hulse detectaram o que era um objeto novo e exótico: um pulsar binário, ou duas estrelas de nêutrons rodopiando uma ao redor da outra. A equipe determinou que as órbitas dos pulsares estavam diminuindo, e perceberam que o único jeito disso acontecer era se as ondas gravitacionais estivessem carregando energia para fora do sistema.

A descoberta, que eliminou as dúvidas sobre a existência das ondas gravitacionais, deu a Taylor e Hulse o Prêmio Nobel de física de 1993.

A diferença é que a equipe do LIGO foi bem-sucedida ao observar diretamente ondas gravitacionais na Terra, uma descoberta que irá iniciar uma nova era na astronomia e ajudar os astrônomos a visualizar mais profundamente o cosmos.

Ver o universo em ondas gravitacionais pode ser similar a primeira vez que os cientistas viraram um par de infravermelhos, raio-X, ou olhos de micro-ondas para o céu. Por milênios, a astronomia foi feita em larguras de ondas visíveis. Os humanos podem ver as estrelas e planetas e observá-los se movendo pelo céu. Mas o universo infravermelho está cheio de conjuntos quentes e cheios de poeiras onde essas estrelas nascem. O universo do raio-X está repleto de corpos estelares e o de micro-ondas possui vestígios termais do Big Bang. Observar o céu usando ondas gravitacionais irá revolucionar a astronomia do mesmo jeito.

É um novo jeito de estudar objetos distantes e fenômenos no universo, o que a radiação eletromagnética não tem permitido muito bem, disse Taylor, um astrofísico da Universidade de Princeton, usando o mesmo exemplo dos buracos negros. “Nós suspeitávamos que essas coisas existiam e vimos evidências de buracos negros no centro das galáxias. Agora vamos ter um jeito direto de medir-los, O que é bem diferente. “

Não só isso, na próxima década, outros experimentos também poderão detectar ondas gravitacionais. Um desses, chamado NANOGrav, usa pulsares de milissegundos que registra de maneira excepcional o tempo exato nos detectores de onda gravitacional natural. Conforme as ondas passam pelos pulsares, elas interrompem brevemente o tempo do giro de uma estrela morta, deixando uma assinatura indicadora que pode ser rastreada pelo céu.

Diferente do LIGO, que é sensível às ondas gravitacionais produzidas por cataclismos de massa estrelar, esses conjuntos de tempos de pulsar irão detectar ondas muito mais longas produzidas por buracos negros espiralados gigantescos – ralos cósmicos agitando-se no centro das galáxias.

Nós somos sensíveis a essas dezenas de milhares de anos antes desses buracos negros gigantescos se fundirem porque é quando eles emitiram ondas gravitacionais em nossa banda de frequência, disse Ransom. “Nós estamos falando de bilhões, ao menos centenas de milhões de massas solares aqui."

Outro experimento proposto iria inaugurar um observatório de onda gravitacional, chamado eLISA, no espaço, onde estaria suscetível às ondas produzidas por todos os tipos de sistemas astrofísicos. Também existem equipes buscando por ondas gravitacionais primordiais, produzidas durante um período de rápida expansão cósmica no começo do universo. Em 2014, a equipe BICEP2 anunciou que descobriu ondas gravitacionais, mas o sinal acabou sendo uma impressão digital empoeirada, em vez de uma inflacionária.

Vai demorar um pouco até a astronomia de ondas gravitacionais se tornar uma tendência. Mas quando isso acontecer, esses eventos cósmicos extremos e invisíveis que até agora viveram no reino da matemática, irão fazer parte do reino observável, populando o universo com um novo conjunto completo de mistérios para serem resolvidos.

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Publicado em 11 de fevereiro de 2016.