Pela terceira vez em um ano e meio, o Observatório Avançado de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser detectou ondas gravitacionais. Hipotetizado por Einstein há um século, a identificação dessas ondulações no espaço-tempo - pela terceira vez, não menos - está cumprindo a promessa de uma área da astronomia que atraiu os cientistas por décadas, mas sempre parecera mentirosa nosso alcance.
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Como um astrofísico de ondas gravitacionais e membro da Colaboração Científica do LIGO, estou naturalmente entusiasmado em ver a visão de muitos de nós se tornando uma realidade. Mas estou acostumado a encontrar meu próprio trabalho mais interessante e excitante do que outras pessoas, então a extensão em que o mundo inteiro parece fascinado por essa conquista foi uma surpresa.
A excitação é bem merecida, no entanto. Ao detectar essas ondas gravitacionais pela primeira vez, não apenas verificamos diretamente uma previsão-chave da teoria da relatividade geral de Einstein de maneira convincente e espetacular, mas também abrimos uma janela inteiramente nova que revolucionará nossa compreensão do cosmo. .
Essas descobertas já afetaram nossa compreensão do universo. E o LIGO está apenas começando.
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Em essência, essa nova maneira de entender o universo vem da nossa nova habilidade de ouvir sua trilha sonora. Ondas gravitacionais não são realmente ondas sonoras, mas a analogia é apropriada. Ambos os tipos de ondas carregam informação de maneira semelhante, e ambos são fenômenos completamente independentes da luz.
Ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo que se propagam para fora de processos intensamente violentos e energéticos no espaço. Eles podem ser gerados por objetos que não brilham e podem viajar através da poeira, da matéria ou de qualquer outra coisa, sem serem absorvidos ou distorcidos. Eles carregam informações exclusivas sobre suas fontes que nos alcançam em um estado primitivo, nos dando um verdadeiro sentido da fonte que não pode ser obtida de qualquer outra forma.
A relatividade geral nos diz, entre outras coisas, que algumas estrelas podem se tornar tão densas que se isolam do resto do universo. Esses objetos extraordinários são chamados de buracos negros. A relatividade geral também previu que, quando pares de buracos negros orbitam firmemente um ao outro em um sistema binário, eles agitam o espaço-tempo, o próprio tecido do cosmos. É essa perturbação do espaço-tempo que envia energia através do universo na forma de ondas gravitacionais.
Essa perda de energia faz com que o binário se contraia ainda mais, até que, finalmente, os dois buracos negros se juntam e formam um único buraco negro. Esta colisão espetacular gera mais energia nas ondas gravitacionais do que é irradiada como luz por todas as estrelas do universo combinadas. Esses eventos catastróficos duram apenas dezenas de milissegundos, mas durante esse tempo, eles são os fenômenos mais poderosos desde o Big Bang.
Essas ondas carregam informações sobre os buracos negros que não podem ser obtidos de outra maneira, já que os telescópios não podem ver objetos que não emitem luz. Para cada evento, podemos medir as massas dos buracos negros, sua taxa de rotação ou “spin” e detalhes sobre suas localizações e orientações com diferentes graus de certeza. Essa informação nos permite aprender como esses objetos foram formados e evoluíram ao longo do tempo cósmico.
Embora já tivéssemos fortes evidências da existência de buracos negros com base no efeito de sua gravidade sobre estrelas e gás circundantes, as informações detalhadas de ondas gravitacionais são inestimáveis para aprender sobre as origens desses eventos espetaculares.
Vista aérea do detector de onda gravitacional LIGO em Livingston, Louisiana. (LIGO, CC BY-NC-ND) **********
A fim de detectar esses sinais incrivelmente silenciosos, os pesquisadores construíram dois instrumentos LIGO, um em Hanford, Washington e os outros 3.000 quilômetros de distância em Livingston, Louisiana. Eles são projetados para alavancar o efeito único que as ondas gravitacionais têm em qualquer coisa que encontrem. Quando as ondas gravitacionais passam, elas mudam a distância entre os objetos. Existem ondas gravitacionais passando por você agora, forçando a cabeça, os pés e tudo o mais a se mover para frente e para trás de uma maneira previsível - mas imperceptível.
Você não pode sentir esse efeito, ou mesmo vê-lo com um microscópio, porque a mudança é tão incrivelmente pequena. As ondas gravitacionais que podemos detectar com o LIGO mudam a distância entre cada extremidade dos detectores de 4 km por apenas 10 metros. Quão pequeno é isso? Mil vezes menor que o tamanho de um próton - e é por isso que não podemos esperar vê-lo mesmo com um microscópio.
Cientistas do LIGO trabalhando em sua suspensão óptica. (Laboratório LIGO, CC BY-ND) Para medir uma distância tão pequena, o LIGO usa uma técnica chamada “interferometria”. Os pesquisadores dividem a luz de um único laser em duas partes. Cada parte, em seguida, percorre um dos dois braços perpendiculares que são cada 2, 5 milhas de comprimento. Finalmente, os dois se juntam e podem interferir um no outro. O instrumento é cuidadosamente calibrado para que, na ausência de uma onda gravitacional, a interferência do laser resulte em um cancelamento quase perfeito - nenhuma luz sai do interferômetro.
No entanto, uma onda gravitacional que passa vai esticar um braço ao mesmo tempo que aperta o outro braço. Com os comprimentos relativos dos braços alterados, a interferência da luz do laser não será mais perfeita. É essa pequena mudança na quantidade de interferência que o LIGO avançado está realmente medindo, e essa medição nos diz qual deve ser a forma detalhada da onda gravitacional que passa.
Ouço
O som de dois buracos negros colidindo:Todas as ondas gravitacionais têm a forma de um “chirp”, onde tanto a amplitude (semelhante ao volume) como a frequência, ou tom, dos sinais aumentam com o tempo. No entanto, as características da fonte são codificadas nos detalhes precisos deste chirp e como ele evolui com o tempo.
A forma das ondas gravitacionais que observamos, por sua vez, pode nos dizer detalhes sobre a fonte que não poderiam ser medidas de outra maneira. Com as três primeiras detecções confiantes da Advanced LIGO, já descobrimos que os buracos negros são mais comuns do que esperávamos, e que a variedade mais comum, que se forma diretamente a partir do colapso de estrelas massivas, pode ser mais massiva do que anteriormente pensei que era possível. Todas essas informações nos ajudam a entender como as estrelas massivas evoluem e morrem.
As três detecções confirmadas por LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) e uma detecção de menor confiança (LVT151012) apontam para uma população de buracos negros binários de massa estelar que, uma vez mesclados, são maiores que 20 massas solares - maiores do que era conhecido antes. (Estado LIGO / Caltech / Sonoma (Aurore Simonnet), CC BY-ND) **********
Esse evento mais recente, que detectamos em 4 de janeiro de 2017, é a fonte mais distante que observamos até agora. Como as ondas gravitacionais viajam à velocidade da luz, quando olhamos para objetos muito distantes, também olhamos para trás no tempo. Este evento mais recente é também a mais antiga fonte de ondas gravitacionais que detectamos até agora, tendo ocorrido há mais de dois bilhões de anos. Naquela época, o universo em si era 20% menor do que é hoje, e a vida multicelular ainda não havia surgido na Terra.
A massa do buraco negro final deixado para trás após esta colisão mais recente é 50 vezes a massa do nosso sol. Antes do primeiro evento detectado, que pesava 60 vezes a massa do Sol, os astrônomos não acreditavam que buracos negros tão grandes pudessem ser formados dessa maneira. Enquanto o segundo evento foi de apenas 20 massas solares, a detecção desse evento muito massivo sugere que tais sistemas não apenas existem, mas podem ser relativamente comuns.
Além de suas massas, os buracos negros também podem girar e seus spins afetam a forma de sua emissão de ondas gravitacionais. Os efeitos do spin são mais difíceis de medir, mas esse evento mais recente mostra evidências não apenas de spin, mas potencialmente de spin que não é orientado em torno do mesmo eixo que a órbita do binário. Se o argumento para tal desalinhamento puder ser fortalecido pela observação de eventos futuros, isso terá implicações significativas para nossa compreensão de como esses pares de buracos negros se formam.
Nos próximos anos, teremos mais instrumentos como o LIGO para ouvir ondas gravitacionais na Itália, no Japão e na Índia, aprendendo ainda mais sobre essas fontes. Meus colegas e eu ainda estamos aguardando ansiosamente a primeira detecção de um binário contendo pelo menos uma estrela de nêutrons - um tipo de estrela densa que não tinha massa suficiente para desmoronar até chegar a um buraco negro.
A maioria dos astrônomos previu que os pares de estrelas de nêutrons seriam observados antes dos pares de buracos negros, então sua ausência continuada representaria um desafio para os teóricos. Sua detecção final facilitará uma série de novas possibilidades para descobertas, incluindo a perspectiva de melhor compreensão de estados extremamente densos da matéria e, potencialmente, observando uma assinatura de luz única usando telescópios convencionais da mesma fonte que o sinal da onda gravitacional.
Também esperamos detectar ondas gravitacionais dentro dos próximos anos a partir do espaço, usando relógios naturais muito precisos chamados pulsares, que enviam explosões de radiação em intervalos muito regulares. Eventualmente planejamos colocar interferômetros extremamente grandes em órbita, onde eles podem escapar do ruído persistente da Terra, que é uma fonte limitadora de ruído para os detectores avançados LIGO.
Quase todas as vezes que os cientistas construíram novos telescópios ou aceleradores de partículas, descobriram coisas que ninguém poderia prever. Por mais empolgantes que sejam as perspectivas conhecidas de descoberta, estão neste novo campo da astrofísica de ondas gravitacionais, como teórico estou mais animado com as maravilhas desconhecidas que ainda nos aguardam.
Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation.
Sean McWilliams, Professor Assistente de Física e Astronomia, West Virginia University
