Detectadas ondas gravitacionais 100 anos após a previsão de EINSTEIN

Quando dois buracos negros giram em órbita um do outro, irradiam ondas gravitacionais, libertando energia orbital e espiralando em direção um do outro. Esta impressão de artista mostra as ondulações numa superfície bidimensional do espaço-tempo, para que as consigamos imaginar melhor. Crédito: Swinburne Astronomy Production

Pela primeira vez, cientistas observaram ondulações no tecido do espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais, chegando à Terra oriundas de um evento cataclísmico no Universo distante. Isto confirma uma importante previsão da teoria geral da relatividade de Albert Einstein, publicada em 1915, e abre uma nova janela sem precedentes para o cosmos. As ondas gravitacionais transportam informação sobre as suas dramáticas origens e sobre a natureza da gravidade que não pode ser obtida de outra maneira. Os físicos concluíram que as ondas gravitacionais foram produzidas durante a fração final de segundo da fusão de dois buracos negros, produzindo um único buraco negro mais massivo. Esta colisão de dois buracos negros já tinha sido prevista, mas nunca observada.

As ondas gravitacionais foram detetadas no dia 14 de setembro de 2015, às 09:51 UTC, por ambos os gémeos do LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), localizados em Livingston, no estado americano do Louisiana e em Hanford, no estado americano de Washington. Os observatórios LIGO são financiados pelo NSF (National Science Foundation) e foram concebidos, construídos e são operados pelo Caltech e pelo MIT. A descoberta, aceite para publicação na revista Physical Review Letters, foi feita pela Colaboração Científica LIGO (que inclui a Colaboração GEO e o Consórcio Australiano para Astronomia Gravitacional Interferométrica) e pela Colaboração Virgo usando dados dos dois detetores LIGO.

Com base nos sinais observados, os cientistas do LIGO estimam que os buracos negros deste evento tinham aproximadamente 29 e 36 vezes a massa do Sol e que o evento teve lugar há 1,3 mil milhões de anos atrás. Cerca de 3 massas solares foram convertidas em ondas gravitacionais numa fração de segundo - com uma potência máxima 50 vezes maior do que todo o Universo visível. Ao observar o tempo de chegada dos sinais - o detetor em Livingston registou o evento 7 milissegundos antes do detetor em Hanford - os cientistas podem dizer que a fonte estava localizada no hemisfério sul.

De acordo com a relatividade geral, um par de buracos negros em órbita um do outro perdem energia através da emissão de ondas gravitacionais, fazendo com que gradualmente fiquem mais próximos ao longo de milhares de milhões de anos e cuja distância diminui muito mais depressa nos minutos finais. Durante a fração final de um segundo, os dois buracos negros colidiram um com o outro a quase metade da velocidade da luz e formaram um único buraco negro mais massivo, convertendo uma porção da massa combinada dos dois buracos negros em energia, segundo a fórmula E = mc² de Einstein. Esta energia é emitida como uma forte explosão final de ondas gravitacionais. Foram estas ondas gravitacionais que o LIGO observou.

A existência de ondas gravitacionais foi demonstrada pela primeira vez nas décadas de 1970 e 1980 por Joseph Taylor Jr. e colegas. Taylor e Russell Hulse descobriram, em 1974, um sistema binário composto por um pulsar em órbita de uma estrela de neutrões. Taylor e Joel M. Weisberg descobriram, em 1982, que a órbita do pulsar estava diminuindo ligeiramente ao longo do tempo devido à libertação de energia sob a forma de ondas gravitacionais. Pela descoberta do pulsar e pela demonstração que tornaria possível esta medição de onda gravitacional em particular, Hulse e Taylor receberam o Prémio Nobel da Física em 1993.

A nova descoberta do LIGO é a primeira observação das próprias ondas gravitacionais, feita através da medição dos pequenos distúrbios que as ondas fazem no espaço e no tempo à medida que passam através da Terra. "A nossa observação das ondas gravitacionais atinge uma ambiciosa meta estabelecida há mais de 5 décadas: a de detetar diretamente este fenómeno elusivo e melhor compreender o Universo e, apropriadamente, cumpre o legado de Einstein no 100.º aniversário da sua teoria geral da relatividade," afirma David H. Reitze, do Caltech e diretor executivo do Laboratório LIGO.

A descoberta foi possível graças às capacidades melhoradas do Advanced LIGO, uma grande atualização que aumentou a sensibilidade dos instrumentos em comparação com a primeira geração dos detetores LIGO, permitindo um grande aumento no volume do Universo estudado - e a descoberta das ondas gravitacionais durante a sua primeira fase de observações. Esta deteção é o começo de uma nova era: o campo da astronomia das ondas gravitacionais é agora uma realidade," afirma Gabriela González, porta-voz do LSC (LIGO Scientific Collaboration) e professora de física e astronomia na Universidade Estatal do Louisiana.

O LIGO foi originalmente proposto como um meio de detetar estas ondas gravitacionais na década de 1980 por Rainer Weiss, professor de física, emérito, do MIT; Kip Thorne, Professor Richard P. Feynman do Caltech de Física Teórica, emérito; e Ronald Dreve, professor de física, emérito, também do Caltech. Esta observação está muito bem descrita na teoria da relatividade geral de Einstein, formulada há 100 anos e compreende o primeiro teste da teoria da gravitação forte. Teria sido maravilhoso ver o rosto de Einstein, caso tivéssemos sido capazes de lhe contar sobre esta descoberta," comenta Weiss.

"Com esta descoberta, nós, seres humanos, estamos a embarcar numa maravilhosa nova missão: a busca para explorar o lado deformado do Universo - objetos e fenómenos produzidos pela deformação do espaço-tempo. A colisão de buracos negros e ondas gravitacionais são os nossos primeiros belos exemplos," afirma Thorne. A pesquisa Virgo é realizada pela Colaboração Virgo, que abrange mais de 250 físicos e engenheiros pertencentes a 19 diferentes grupos europeus de investigação. Fulvio Ricci, porta-voz da Virgo, afirma que "este é um marco significativo para a física mas, mais importante, é meramente o início de muitas novas e excitantes descobertas astrofísicas que vão chegar com o LIGO e o Virgo."

Em cada observatório LIGO, um interferómetro com a forma de um L e com 4 km de comprimento usa um laser que se divide em dois feixes e que viajam para trás e para a frente nos braços (um tubo com 120 cm de diâmetro mantido sob um vácuo quase perfeito). Os feixes são usados para monitorizar a distância entre espelhos posicionados precisamente nas extremidades dos braços. De acordo com a teoria de Einstein, a distância entre os espelhos é alterada por uma quantidade ínfima quando uma onda gravitacional passa pelo detetor. O detetor é sensível o suficiente para medir uma mudança, nos comprimentos dos braços, mais pequena que um décimo de milésima do diâmetro de um protão (10^-19 metros). O Advanced LIGO é o detetor mais sofisticado, alguma vez criado, de ondas gravitacionais.

A fim de determinar a direção do evento que provocou as ondas gravitacionais são necessários observatórios independentes e bastante separados, e também para verificar que os sinais são provenientes do espaço e não são algum outro fenómeno local. Com este objetivo, o Laboratório LIGO está a trabalhar em estreita colaboração com cientistas na Índia para estabelecerem um terceiro detetor LIGO no subcontinente indiano. Aguardando a aprovação do governo indiano, poderá estar operacional na próxima década.

O detetor adicional vai melhorar em muito a capacidade da rede global de detetores em localizar fontes de ondas gravitacionais. Esperamos que esta primeira observação acelere a construção de uma rede global de detetores e permita a localização precisa das fontes," conclui David McClelland, professor de física e diretor do Centro de Física Gravitacional da Universidade Nacional Australiana.

Fonte: Astronomia Online