Os cientistas ouviram a ária da gravidade pela primeira vez.
Conteúdo Relacionado
- Cinco coisas a saber sobre as ondas gravitacionais
- Sete maneiras simples que sabemos que Einstein estava certo (por enquanto)
Quando dois buracos negros se espiralaram em direção ao outro e se fundiram, criaram ondas no tecido do cosmos exatamente da forma que os físicos previram por um século: as ondas gravitacionais. Desvelado hoje durante um conjunto de conferências de imprensa internacionais, o sinal abre caminho para uma compreensão totalmente nova do universo.
"Esta é a primeira vez que o universo nos fala através de ondas gravitacionais. Até agora temos sido surdos", disse David Reitze, diretor de laboratório do LIGO, da Universidade da Flórida, em um evento de imprensa em Washington, DC
Na raiz das ondas gravitacionais está a teoria da gravidade de Albert Einstein, que diz que qualquer coisa com massa distorce o próprio tecido do espaço-tempo. Quando objetos maciços se movem, eles criam distorções no tecido cósmico, gerando ondas gravitacionais. Essas ondas ondulam pelo universo como ondas sonoras pulsando no ar.
A teoria de Einstein prevê que o universo está repleto de ondas gravitacionais, mas até agora não conseguimos detectá-las, em parte porque as ondas são excepcionalmente fracas. Mas mesmo antes de seus instrumentos atualizados se tornarem oficialmente online no ano passado, o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) captou um sinal claro da poderosa colisão de dois buracos negros a 1, 3 bilhão de anos-luz de distância.
"Ter um sinal de onda gravitacional detectado enquanto o LIGO ainda não está próximo da sensibilidade do projeto na primeira corrida da ciência é surpreendente, é de cair o queixo", diz Joan Centrella, que liderou o Laboratório de Astrofísica Gravitacional no Voo Espacial Goddard da NASA Centro antes de se tornar o vice-diretor da Divisão de Astrofísica da Goddard.
Essa alegria percorreu o observatório do LIGO em Livingston, Louisiana, e pelo resto do mundo, quando a equipe fez o anúncio. Quase tudo o que os astrônomos aprenderam sobre o cosmos veio de diferentes formas de luz, como ondas de rádio e raios X visíveis. Mas assim como as ondas sísmicas podem revelar estruturas ocultas nas profundezas da Terra, as ondas gravitacionais carregam informações sobre as propriedades ocultas do universo que nem mesmo a luz pode revelar.
"Começamos com um trabalho de alto risco com um retorno potencial muito alto", disse Kip Thorne, co-fundador do LIGO e físico gravitacional do Instituto de Tecnologia da Califórnia, durante o evento de imprensa. "E estamos aqui hoje com um grande triunfo - uma maneira totalmente nova de observar o universo".
Pistas adiantadas
A busca por ondas gravitacionais começou há um século, com a publicação da teoria geral da relatividade de Einstein. Em meados da década de 1970, os físicos Russell A. Hulse e Joseph H. Taylor Jr. capturaram evidências extremamente convincentes de que essas ondulações existem. Eles mediram o tempo que levou para que duas estrelas densas de nêutrons - os núcleos esmagados de estrelas outrora maciças - orbitam umas às outras.
Com base no trabalho de Einstein, eles sabiam que essas estrelas deveriam irradiar energia gravitacional enquanto giravam, e que a energia perdida deveria fazê-las espiralar uma em direção à outra. Depois de estudar as duas estrelas pelos próximos anos, eles viram que a órbita diminuiu exatamente a quantidade prevista pela relatividade geral.
Enquanto essa descoberta rendeu à dupla o prêmio Nobel de 1993 em física, a maioria dos físicos não a chamaria de uma detecção direta de ondas gravitacionais.
Em 2001, o LIGO começou a operar em dois locais separados por 1.875 milhas - um em Livingston, Louisiana e outro em Hanford, Washington. Alguns anos depois, o telescópio europeu de ondas gravitacionais Virgo também entrou em operação. Ambos operaram até 2010 e 2011, respectivamente, antes de ficarem offline para atualizações.
Enquanto os cientistas esperavam que esses observatórios iniciais capturassem as ondas gravitacionais, eles sabiam que era um tiro longo. Essas ondulações são sinais muito fracos e os instrumentos não eram sensíveis o suficiente para ouvir seus sussurros. Mas as execuções iniciais servem como testes da tecnologia para os instrumentos da próxima geração.
Virgem ainda está sendo atualizado, mas a equipe do LIGO completou seu trabalho em ambos os detectores em 2015. Agora chamados de Advanced LIGO, os observatórios de Louisiana e Washington ouviram ondas gravitacionais durante a primeira corrida de observação científica entre 18 de setembro de 2015 e 12 de janeiro 2016. O sinal anunciado hoje foi recebido logo antes da primeira corrida oficial, pois a equipe estava executando testes operacionais dos detectores.
Precisão a laser
Sentir uma onda enquanto passava pela Terra exigia muita engenharia inteligente, poder do computador e mais de mil cientistas trabalhando ao redor do mundo.
Dentro de cada observatório LIGO em forma de L, um laser fica no ponto de encontro de dois tubos perpendiculares. O laser passa através de um instrumento que divide a luz, de modo que dois feixes percorrem aproximadamente 2, 5 milhas abaixo de cada tubo. Espelhos nas extremidades dos tubos refletem a luz de volta à sua fonte, onde um detector espera.
Normalmente, não há luz no detector. Mas quando uma onda gravitacional passa, ela deve esticar e esmagar o espaço-tempo em um padrão previsível, alterando efetivamente os comprimentos dos tubos em uma pequena quantidade - na ordem de um milésimo do diâmetro de um próton. Então, alguma luz pousará no detector.
Para explicar a mudança incrivelmente pequena, os espelhos do instrumento estão ligados a sistemas complexos que os isolam da maioria das vibrações. Os cientistas do LIGO também têm programas especiais de computador que podem filtrar vários tipos de ruído de fundo, como tremores ocasionais, e determinar se algum sinal recebido corresponde a fontes astronômicas calculadas usando a relatividade geral.
Os sites de Louisiana e Washington trabalham juntos para verificar um avistamento. "Não acreditamos que vejamos uma onda gravitacional, a menos que ambos detectores vejam o mesmo sinal dentro da quantidade de tempo que a onda gravitacional levaria para viajar entre os dois locais", diz o membro da equipe LIGO Amber Stuver, da Louisiana State University. Neste caso, a onda passou pela Terra e atingiu os dois detectores separados por apenas sete milissegundos.
Quando os sites de Louisiana e Washington detectam uma possível melodia gravitacional, os cientistas começam a trabalhar na análise. O LIGO captou este sinal em 14 de setembro, mas só agora pode dizer com grande certeza que viu ondas gravitacionais.
"Levamos meses de checagem cuidadosa, re-checagem, análise, trabalhando com todos os dados para garantir a observação", disse Reitze durante o evento da DC. "E nos convencemos de que é esse o caso." Os resultados aparecem esta semana na Physical Review Letters .
Uma vista aérea do detector LIGO em Livingston, Louisiana. (Laboratório LIGO) O sinal de ondas gravitacionais que os astrônomos retiraram das observações mais recentes combinou com o que eles esperavam para dois buracos negros em espiral um em direção ao outro. A dança envia ondas gravitacionais a uma frequência e força previsíveis, dependendo da distância entre os objetos e suas massas.
Quando eles começam a dançar mais perto, os comprimentos de onda das ondas gravitacionais encolhem e sua música atinge tons mais altos. Quando os buracos negros se aproximam para o abraço final, o sinal da onda gravitacional tem uma nota alta final, ou "chirp", como os astrônomos chamam.
O sinal de setembro alinha-se lindamente com o que a equipe esperaria de dois buracos negros com massas iguais a cerca de 29 e 36 vezes a massa do sol. Esses buracos negros se juntaram para criar um novo buraco negro 62 vezes a massa do Sol - irradiando 3 massas solares no valor de energia gravitacional.
Espere o inesperado
Com esta detecção inicial, os astrônomos estão esperançosos de que o Advanced LIGO continuará a capturar ondas gravitacionais e começar a construir dados para todos os tipos de estudos científicos, desde descobrir como as supernovas funcionam para aprender sobre os primeiros momentos do universo. Embora nenhum outro telescópio astronômico tenha visto qualquer sinal dessa colisão com buracos negros, algumas das outras fontes que a Advanced LIGO está procurando devem ter contrapartidas visíveis para os telescópios que capturam a luz.
Isso parece especialmente promissor, considerando que o Advanced LIGO ainda não está com sua sensibilidade total. Isso virá nos próximos anos, diz Stuver.
Cada um desses sinais dará aos astrônomos o que eles nunca tiveram antes: uma maneira de sondar casos extremos de gravidade e os movimentos de objetos invisíveis. Ainda mais emocionantes, os astrônomos sabem que com cada avanço tecnológico, o universo tem um jeito de nos surpreender.
"Toda vez que olhamos de uma maneira nova e com um tipo diferente de luz, descobrimos algo que não esperávamos encontrar", diz Stuver. "E é essa coisa inesperada que revoluciona nossa compreensão do universo." depois que astrônomos ligaram antenas de rádio no céu, eles descobriram um tipo inesperado de estrela de nêutrons chamada pulsar. E, talvez poeticamente, foi um pulsar e uma estrela de nêutrons fazendo uma dança orbital que Hulse e Taylor estudaram na década de 1970.
Agora, com o surgimento da astronomia de ondas gravitacionais, os cientistas têm uma nova ferramenta para amostrar o cosmos. E a partir do som, estamos em uma música bonita.
Nota do Editor: A afiliação de Joan Centrella foi corrigida.
