Pela segunda vez no ano, físicos do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO) estão bastante empolgados. Eles acabaram de confirmar a segunda detecção das ondas gravitacionais, ondulações no tecido do espaço-tempo propostas por Albert Einstein há um século. Parece que estamos oficialmente na era da astronomia de ondas gravitacionais.
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Em fevereiro, físicos do LIGO entraram para a história ao anunciar que uma grande ondulação no espaço-tempo havia sido detectada em dois lugares diferentes dos EUA no dia 14 de setembro de 2015. As ondulações emanaram do estágio final da fusão de dois buracos negros localizados há 1,3 bilhões de anos-luz de distância e que pesavam 29 e 36 massas solares, respectivamente.
O segundo sinal de onda gravitacional do LIGO chegou apenas três meses após o primeiro, no dia 26 de dezembro. Novamente, é o resultado da dança de um par binário de buracos negros que estavam se fundindo, apesar de que a nova dupla pesava apenas 8 e 14 massas solares desta vez. Quando eles se juntaram a uma distância de 1,4 bilhões de anos-luz, criaram um buraco negro com 21 vezes a massa do Sol, enquanto liberaram uma rajada de energia gravitacional bastante potente.
A descoberta foi anunciada na tarde de quarta-feira (15) durante um encontro da American Astronomical Society em San Diego, na Califórnia, EUA, e foi aceita para ser publicada na Physical Reviews Letters.
“Só o fato de já termos visto mais de uma [fonte de onda gravitacional] já é bem animador,” disse David Shoemaker, do MIT, que liderou o programa de construção do LIGO. “Isso nos levou do pensamento de ‘Ih, será que isso é verdade?’ para um sim, essa é uma ferramenta que podemos usar.”
A ferramenta mais precisa da Terra
Quando os objetos mais pesados do nosso universo entram em choque nas mais potentes colisões, eles enviam ondas de choque, mais ou menos como ondulações em uma lagoa, emanando através do espaço-tempo. Chamados de ondas gravitacionais, esses tremores cósmicos são incrivelmente fracos, da ordem de um bilionésimo do diâmetro de um átomo. Mas eles acontecem o tempo inteiro ao nosso redor; oferecendo uma janela para o nosso universo completamente diferente do que podemos observar pelo espectro eletromagnético. Se as ondas eletromagnéticas são o visual do universo, as ondas gravitacionais são a música dele.
Essa, ao menos, é a teoria que vem do século passado. Mas ondas pequenas desse jeito precisam de experimentos de alta precisão para serem detectadas, e o mais avançado experimento na Terra – o LIGO, que usa feixes laser para medir pequenas variações na distância entre dois espelhos separados por quilômetros – não era bom o suficiente até pouco tempo atrás. O LIGO foi ativado em 2002, mas não encontrou nada definitivo até recentemente. Então, após cinco anos de atualizações entre 2010 e 2015, o LIGO renasceu como o Advanced LIGO, com três vezes mais sensibilidade do que seu antecessor. Quando o Advanced LIGO começou a coletar dados no ano passado, ele detectou ondas gravitacionais quase que imediatamente.
“O primeiro evento foi enorme”, disse Shoemaker, falando das ondas detectadas pelo LIGO em setembro de 2014. “Meu primeiro pensamento foi de que era um teste,” disse Gabriela Gonzales, uma professora de física da Universidade do Estado de Louisiana, nos EUA, que também é porta-voz do LIGO Livingston. “Em questão de horas, percebemos que não era.”
Ainda assim, a equipe passou os cinco meses seguintes validando meticulosamente a descoberta, determinada a eliminar qualquer possível fonte de distúrbio ambiental ou erro humano antes de tornar o achado público.
O segundo sinal
Esse segundo sinal, que foi detectado três meses depois, era diferente. “Os objetos estão quase tão distantes quanto, mas como são mais leves, é um sinal muito mais fraco,” explicou Shoemaker. “Precisávamos ser mais cuidadosos para observar aviões, relâmpagos, ruídos sísmicos, pessoas derrubando martelos – todas as coisas que poderiam indicar que a descoberta erra errada.”
Apesar de serem difíceis de distinguir do barulho de fundo da Terra, as ondas gravitacionais produzidas por colisões mais fracas têm uma vantagem quando falamos em detecção: elas se movem mais lentamente. A ondulação do espaço-tempo de dezembro de 2015 demorou um segundo inteiro para atravessar os detectores do LIGO, o contrário do que aconteceu com o sinal anterior, que atravessou nosso planeta em uma fração desse tempo.
“Isso é importante porque pudemos começar a descrever o que estava acontecendo durante o evento extraordinário,” disse Federico Ferrini, diretor do Observatório Gravitacional Europeu (EGO, na sigla em inglês), que é lar do VIRGO, um detector de ondas gravitacionais localizado na Itália.
O sinal foi tão longo que os investigadores observaram um buraco negro girando ao redor do outro, completando cerca de 50 rotações enquanto passava pelo grupo de detectores do LIGO. As rotações podem nos falar bastante sobre a história da formação do objeto – talvez esse vórtice de escuridão tenha sido uma estrela de nêutrons no passado, antes de consumir a matéria ao seu redor, ganhando momentum angular, e entrando em colapso para virar um buraco negro. Mas vamos precisar estudar muitos pares de buracos negros ainda até entendermos a história e dinâmica da formação deles.
Os sinais de ondas gravitacionais detectados pelos observatórios LIGO no dia 14 de outubro de 2015. Imagem: Caltech/MIT/LIGO Lab
E com um detector comprovado de ondas gravitacionais, podemos fazer exatamente isso. “O primeiro evento foi como a realização de um sonho,” disse Ferrini. “Agora temos um segundo, e no futuro teremos muitos outros. Isso significa que entramos realmente na era da astronomia das ondas gravitacionais, e podemos a fazer estatísticas.”
Mesmo com apenas dois eventos, o LIGO já nos disse coisas bem importantes sobre a distribuição de tamanho dos buracos negros, e sobre a frequência das suas fusões. Antes da primeira detecção, ninguém tinha certeza de que buracos negros com 30 massas solares existiam. O segundo evento também é excepcional em comparação a buracos negros encontrados por humanos via observações de raio-X, que são todos na faixa das muitas massas solares. Todos os próximos eventos vão restringir ainda mais as nossas previsões teóricas.
Ondas gravitacionais também oferecem uma ferramenta única para a observação do comportamento de objetos cósmicos que não emitem luz. “As ondas gravitacionais têm interação tão fraca com tudo que elas chegam como uma linha direta entre a fonte delas e nós,” disse Shoemaker. “Consequentemente, podemos ver o movimentos do interior profundo de objetos [como buracos negros e estrelas de nêutrons], de uma maneira que não é possível com radiação eletromagnética.”
Vem muito mais por aí
O que podemos esperar ouvir nos próximos anos e meses? A primeira missão observacional do novo LIGO acabou em janeiro, e o experimento está passando agora por novas melhorias. A próxima tarefa dele deve começar no terceiro trimestre, e com mais sensibilidade, ele deve ser capaz de ouvir ondas gravitacionais em uma faixa mais ampla do espaço. Uma coisa legal de vivermos em um universo tridimensional é que, se melhorarmos a sensibilidade do detector por um fator de dois, podemos varrer um volume de espaço oito vezes maior.
Mais ou menos na mesma época, o Advanced VIRGO, da ESO, vai entrar em funcionamento com uma sensibilidade próxima à do LIGO. Um novo detector do outro lado do mundo vai ajudar cientistas a localizarem melhor a fonte das ondas gravitacionais no céu. “Com três pontos observacionais a milhares de quilômetros de distância, a triangulação no céu é muito mais precisa – de algumas centenas de graus quadrados para dezenas de graus quadrados,” disse Ferrini.
Isso significa que, no futuro, astrônomos poderão colocar os telescópios na direção do sinal de ondas gravitacionais e chegar à fonte delas.
“Vai ser demais, conforme detectamos mais coisas e fazemos análises mais aprofundadas nos próximos anos, encontraremos pistas de onde esses buracos negros surgem, disse o físico e colaborador do LIGO Chad Hanna. “Agora que somos capazes de detectar ondas gravitacionais, elas serão uma fonte fenomenal de novas informações sobre a nossa galáxia e um canal completamente novo de descobertas sobre o universo.”
Foto de topo: simulação de computador de dois buracos negros se fundindo. Imagem: Projeto SXS (Simulating eXtreme Spacetimes)