Há mais de um bilhão de anos, em uma galáxia muito, muito distante, dois buracos negros executaram os passos finais em um pas de deux veloz, concluindo com um abraço final tão violento que liberou mais energia do que a produção combinada de todas as estrelas cada galáxia no universo observável. No entanto, ao contrário da luz das estrelas, a energia era escura, sendo carregada pela força invisível da gravidade. Em 14 de setembro de 2015, às 5:51 da manhã, um fragmento dessa energia, na forma de uma “onda gravitacional”, chegou à Terra, reduzido pelo seu vasto trânsito através do espaço e do tempo para um mero sussurro de seu estrondoso incêndio. começando.
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O Universo Elegante
ComprarAté onde sabemos, a Terra foi banhada neste tipo de perturbação gravitacional antes. Freqüentemente. A diferença desta vez é que dois detectores estupendamente precisos, um em Livingston, Louisiana, e o outro em Hanford, Washington, estavam prontos. Quando a onda gravitacional passou, ela fez cócegas nos detectores, fornecendo a assinatura inconfundível de buracos negros colidindo no outro lado do universo e marcando o início de um novo capítulo na exploração do cosmos pela humanidade.
Quando os rumores da descoberta começaram a circular em janeiro, revirei os olhos para o que era claramente um alarme falso ou um estratagema para provocar um pequeno zumbido. Como um programa de pesquisa em sua quinta década, a busca por ondas gravitacionais havia muito se tornara a maior descoberta que sempre pairava no horizonte. Os físicos se resignaram a esperar pelo Godot gravitacional.
Mas a ingenuidade e a perseverança humanas triunfaram. É uma daquelas vitórias que dão até aqueles de nós torcendo do lado de fora arrepios arrepiantes.
Aqui está a história, em poucas palavras.
Em novembro passado, o mundo celebrou o centenário da maior descoberta de Einstein, a teoria geral da relatividade, que revelou um novo paradigma para a compreensão da gravidade. A abordagem de Isaac Newton prevê corretamente a atração gravitacional entre quaisquer dois objetos, mas não dá nenhuma idéia de como algo aqui pode se estender pelo espaço vazio e puxar algo para lá. Einstein passou uma década tentando determinar como a gravidade é comunicada e, finalmente, concluiu que o espaço e o tempo formam a mão invisível que faz a oferta da gravidade.
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Esta história é uma seleção da edição de abril da revista Smithsonian.
ComprarA metáfora da escolha, excessivamente usada, mas evocativa, é pensar no espaço como um trampolim. Coloque uma bola de boliche no meio do trampolim fazendo com que ela se curve, e um mármore será empurrado para percorrer uma trajetória curva. Da mesma forma, Einstein professou que perto de um corpo astronômico como o Sol, o ambiente do espaço-tempo se curva, o que explica por que a Terra, muito parecida com o mármore, segue uma trajetória curva. Em 1919, observações astronômicas confirmaram essa visão notável e tornaram Einstein Einstein.
Einstein empurrou sua importante descoberta ainda mais. A essa altura, ele havia se concentrado em situações estáticas: determinar a forma fixa de uma região do espaço-tempo que surge de uma determinada quantidade de matéria. Mas Einstein voltou-se então para situações dinâmicas: o que aconteceria com o tecido do espaço-tempo se a matéria se movesse e sacudisse? Ele percebeu que as crianças pulando em um trampolim geram ondas na superfície que se projetam para fora, matéria que se move dessa maneira e que irá gerar ondas no tecido do espaço-tempo que se propagam para fora também. E como, de acordo com a relatividade geral, o espaço-tempo curvo é a gravidade, uma onda de espaço-tempo curvo é uma onda de gravidade.
As ondas gravitacionais representam a partida mais significativa da relatividade geral da gravidade newtoniana. O espaço-tempo flexível é certamente uma profunda reformulação da gravidade, mas em contextos familiares como a atração gravitacional do Sol ou da Terra, as previsões de Einstein diferem das de Newton. No entanto, como a gravidade newtoniana é silenciosa em relação à forma como a gravidade é transmitida, a noção de distúrbios gravitacionais em viagem não tem lugar na teoria de Newton.
O próprio Einstein tinha dúvidas sobre sua predicação de ondas gravitacionais. Ao encontrar pela primeira vez as sutis equações da relatividade geral, é desafiador desvincular a matemática abstrata da física mensurável. Einstein foi o primeiro a se engajar nessa briga, e havia características que até mesmo ele, o centro da relatividade, não conseguia entender completamente. Mas, na década de 1960, cientistas usando métodos matemáticos mais refinados estabeleceram, sem sombra de dúvida, que as ondas gravitacionais eram uma característica distintiva da teoria geral da relatividade.
Uma ilustração de ondas gravitacionais (John Hersey) Como, então, essa previsão icônica poderia ser testada? Em 1974, usando o Radiotelescópio de Arecibo, Joseph Taylor e Russell Hulse descobriram um pulsar binário: duas estrelas de nêutrons em órbita cujo período orbital poderia ser rastreado com grande precisão. De acordo com a relatividade geral, as estrelas em órbita geram uma marcha constante de ondas gravitacionais que drenam a energia, fazendo com que as estrelas caiam mais próximas e orbitam mais rapidamente. Observações confirmaram esta previsão para um T, fornecendo evidências, ainda que indiretas, de que as ondas gravitacionais são reais. Hulse e Taylor receberam o Prêmio Nobel de 1993.
A conquista só tornou a detecção direta de ondas gravitacionais ainda mais atraente. Mas a tarefa era assustadora. Os cálculos mostram que, como uma onda gravitacional ondula através do espaço, qualquer coisa em seu caminho será alternativamente esticada e comprimida ao longo dos eixos perpendiculares à direção do movimento da onda. Uma onda gravitacional que se dirigia diretamente para os Estados Unidos estendia e comprimia alternadamente o espaço entre Nova York e a Califórnia, e entre o Texas e a Dakota do Norte. Ao monitorar precisamente essas distâncias, devemos, assim, ser capazes de identificar a passagem da onda.
O desafio é que, à medida que uma ondulação em um lago se dissipa à medida que se espalha, uma ondulação gravitacional se dilui à medida que se desloca de sua fonte. Uma vez que grandes colisões cósmicas tipicamente acontecem muito longe de nós (felizmente), no momento em que as ondas gravitacionais geradas alcançam a Terra, a quantidade de alongamento e compressão que causam é pequena - menos do que um diâmetro atômico. A detecção de tais mudanças equivale a medir a distância da Terra até a estrela mais próxima além do sistema solar, com uma precisão melhor que a espessura de uma folha de papel.
A primeira tentativa, iniciada por Joseph Weber, da Universidade de Maryland, na década de 1960, usava cilindros sólidos de alumínio de várias toneladas, na esperança de que eles ressoassem gentilmente como gigantescos diapasões em resposta a uma onda gravitacional passageira. No início dos anos 1970, Weber alegou sucesso, grande momento. Ele relatou que ondas gravitacionais estavam tocando seu detector quase diariamente. Essa realização memorável inspirou outros a corroborar as alegações de Weber, mas depois de anos tentando, ninguém conseguiu sequer uma única onda.
A tenaz crença de Weber em seus resultados, muito depois de as evidências acumuladas sugerirem o contrário, contribuiu para uma perspectiva que coloriu o campo por décadas. Ao longo dos anos, muitos cientistas acreditavam, como Einstein, que, mesmo que as ondas gravitacionais fossem reais, elas simplesmente seriam fracas demais para serem detectadas. Aqueles que se propuseram a encontrá-los estavam em uma missão de idiotas, e aqueles que acreditavam em alegações de detecção estavam sendo enganados.
Na década de 1970, os poucos que ainda tinham o bug da onda gravitacional se voltaram para um esquema de detecção mais promissor, no qual os lasers seriam usados para comparar os comprimentos de dois longos túneis idênticos orientados a 90 graus um do outro. Uma onda gravitacional que passava estendia um túnel enquanto apertava o outro, mudando ligeiramente as distâncias percorridas pelos feixes de laser disparados ao longo de cada um. Quando os dois feixes de laser são subsequentemente recombinados, o padrão resultante que a luz forma é sensível a diferenças mínimas em quanto cada feixe viajou. Se uma onda gravitacional passar, até mesmo a minúscula perturbação que ela cria deixaria um padrão de laser modificado em seu rastro.
É uma bela ideia. Mas, nas proximidades, martelos pneumáticos, caminhões estrondosos, rajadas de vento ou árvores caindo poderiam perturbar tal experimento. Ao buscar diferenças de comprimento menores que um bilionésimo de um bilionésimo de metro, a capacidade de proteger o aparelho de toda agitação ambiental possível, mesmo que leve, torna-se primordial. Com esse requisito aparentemente intransponível, os pessimistas receberam ainda mais munição. Capturar uma onda gravitacional faria com que Horton ouvisse o Who, mesmo com o ruído estrondoso do metrô de Nova York, mera brincadeira de criança.
No entanto, os físicos americanos Kip Thorne e Rainer Weiss, mais tarde reunidos pelo físico escocês Ronald Drever, sonhavam em construir um detector de ondas gravitacional à base de laser e puseram as rodas em movimento para tornar esse sonho uma realidade.
Em 2002, depois de algumas décadas de pesquisa e desenvolvimento e mais de US $ 250 milhões investidos pela National Science Foundation, duas maravilhas científicas e tecnológicas que compõem o LIGO (Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser) foram implantadas em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington. Túneis evacuados de quatro quilômetros de comprimento em forma de uma letra gigante “L” abrigariam um feixe de laser 50.000 vezes mais potente que um ponteiro laser padrão. A luz do laser saltava para frente e para trás entre os espelhos mais suaves do mundo, colocados em extremidades opostas de cada braço, buscando uma pequena incompatibilidade no tempo que cada um leva para completar a jornada.
Os pesquisadores esperaram. E esperei. Mas depois de oito anos, nada. Decepcionante, com certeza, mas como as equipes de pesquisa argumentaram, não é surpreendente. Cálculos mostraram que o LIGO estava apenas no limiar de sensibilidade necessário para detectar ondas gravitacionais. Assim, em 2010, o LIGO foi desativado para várias atualizações, no montante de mais de US $ 200 milhões, e no outono de 2015, um LIGO aprimorado, muitas vezes mais sensível, foi ativado. Surpreendentemente, menos de dois dias depois, um repentino estremecimento sacudiu o detector em Louisiana e, sete milésimos de segundo depois, o detector em Washington se contorceu quase exatamente da mesma maneira. O padrão das vibrações delicadas combinava com o que as simulações computacionais previam para as ondas gravitacionais que seriam produzidas pelos espasmos finais dos buracos negros em órbita que se chocam.
Um amigo meu por dentro, jurado em segredo, mas disposto a fornecer uma sugestão não tão sutil, disse-me: “Imagine que o nosso sonho mais louco se tornou realidade.” Mas foi esse acerto do jackpot da onda gravitacional. isso deu aos pesquisadores uma pausa. Foi quase perfeito demais.
O aparelho LIGO depende de espelhos precisamente projetados - e perfeitamente limpos -. (Matt Heintze / Caltech / Laboratório MIT / LIGO) Com alguns meses de intenso e diligente esforço de investigar cuidadosamente todas as outras explicações, por mais improváveis que fossem, restou apenas uma conclusão. O sinal era real. Um século depois que Einstein previu sua existência, a primeira detecção direta de ondas gravitacionais foi celebrada pelos mais de 1.000 cientistas que trabalham no experimento LIGO. Eles haviam captado o murmúrio momentâneo de um tsunami gravitacional desencadeado há mais de um bilhão de anos, o vestígio de uma fusão escura em algum lugar no céu profundo do sul.
O anúncio oficial da imprensa, em 11 de fevereiro, em Washington, DC, foi eletrizante. Na minha própria instituição, a Columbia University, tivemos que transferir a transmissão ao vivo do processo para um dos maiores locais do campus, e histórias semelhantes ocorreram em universidades do mundo todo. Por um breve momento, ondas gravitacionais superaram o prognóstico presidencial.
A excitação foi justificada. A história fará uma retrospectiva da descoberta como um dos poucos pontos de inflexão que mudam o curso da ciência. Desde que o primeiro humano olhou para o céu, exploramos o universo usando ondas de luz. O telescópio aumentou substancialmente essa capacidade e, com ela, encontramos o esplendor de novas paisagens cósmicas. Durante o século XX, ampliamos os tipos de sinais de luz que detectamos - infravermelho, rádio, ultravioleta, gama e raios X - todas as formas de luz, mas com comprimentos de onda fora do alcance que podemos ver a olho nu. E com essas novas sondas, a paisagem cósmica ficou ainda mais rica.
Ondas gravitacionais são um tipo completamente diferente de sonda cósmica, com o potencial de produzir consequências ainda mais dramáticas. A luz pode ser bloqueada. Um material opaco, como uma persiana, pode bloquear a luz visível. Uma gaiola de metal pode bloquear as ondas de rádio. Em contraste, a gravidade passa por tudo, praticamente inalterada.
E assim, com as ondas gravitacionais como nossa sonda, seremos capazes de examinar reinos que estão fora dos limites da luz, como o espaço caótico que se embaralha quando dois buracos negros colidem ou talvez o estrondo selvagem do próprio big bang, 13, 8 bilhões de anos atrás. A observação já confirmou a ideia de que os buracos negros podem formar pares binários. Mais tentador ainda, podemos encontrar uma paisagem sombria povoada por coisas que ainda temos que imaginar.
Como uma rede de detectores em todo o mundo - na Itália, na Alemanha, em breve no Japão e provavelmente na Índia - reúne seus dados, esperançosamente unidos no futuro por um enorme detector operando no espaço, nossa capacidade de sondar o cosmos dará outro passo gigantesco frente. O que é absolutamente emocionante. Não há nada mais inspirador do que nossa capacidade, no meio de nossas sempre presentes lutas terrestres, de olhar para cima, de nos maravilharmos e de termos a engenhosidade e a dedicação de ver um pouco mais longe.
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