Na maioria dos casos, detectar os efeitos da gravidade não é tão difícil. Os pára-quedistas correm para o chão no momento em que saem de um avião e, graças aos telescópios espaciais, você pode ver a luz sendo transformada em anéis impressionantes por agrupamentos maciços de galáxias. Mas provou-se especialmente difícil detectar ondas gravitacionais, ondulações no espaço-tempo desencadeadas por um poderoso evento cósmico.
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Até agora, a maioria das tentativas procurou a forma como as ondulações do espaço-tempo devem influenciar a luz e a matéria. Agora, cientistas nos EUA e em Israel acham que poderíamos encontrar as ondas mais rápidas e mais baratas se procurarmos seus efeitos no tempo e não no espaço.
A busca por ondas gravitacionais ocorre desde 1916, quando Albert Einstein previu que elas deveriam existir como parte de sua teoria geral da relatividade. Ele argumentou que o espaço-tempo é como um tecido, e o que sentimos como gravidade é uma curvatura nesse tecido causada por objetos maciços. Como uma bola de boliche suspensa em um cobertor, por exemplo, nosso enorme planeta Terra curva o espaço-tempo ao redor dele.
A teoria também sugere que quando objetos muito massivos como buracos negros se fundem, a explosão gravitacional enviará ondas propagando-se para fora através do espaço-tempo. Detectá-los não apenas continuaria a validar a teoria de Einstein, mas também abriria uma nova janela para o universo, porque os cientistas poderiam usar ondas gravitacionais para investigar eventos de outro modo invisíveis em todo o cosmos. Mas a prova de ondas gravitacionais tem sido elusiva, em grande parte porque as ondas se tornam mais fracas quanto mais elas viajam, e muitas fontes de ondas gravitacionais são encontradas no limite do universo, bilhões de anos-luz de distância.
No ano passado, um experimento chamado BICEP2 afirmou ter detectado os sinais fracos associados a um tipo de onda gravitacional primordial, produzido por um surto repentino de crescimento no início do universo. A alegação foi prematura, já que análises posteriores reduziram a confiança de que a equipe do BICEP2 viu algo mais do que uma poeira rodopiante na Via Láctea.
O observatório eLISA planejado pela Agência Espacial Européia, que deve ser lançado em 2034, foi projetado para detectar um tipo diferente de onda: ondas gravitacionais de baixa frequência e milihertz geradas pela fusão de pares de buracos negros supermassivos. Os cientistas descobriram buracos negros supermassivos nos centros de muitas galáxias grandes, incluindo a nossa. A coalescência de duas dessas galáxias está prevista para emitir ondas gravitacionais que podem se propagar através do universo. Para encontrá-los, a eLISA usará lasers para medir pequenas mudanças no espaçamento de uma frota de espaçonaves que devem acontecer quando uma onda gravitacional passar.
Em um novo artigo, Avi Loeb, do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, e Dani Maoz, da Universidade de Tel Aviv, apontam que os recentes avanços no controle do tempo podem permitir que os relógios atômicos detectem ondas gravitacionais mais rápido e mais barato do que o eLISA. Eles delinearam uma proposta para uma série de relógios atômicos posicionados em diferentes pontos ao redor do Sol, que poderiam detectar um fenômeno chamado dilatação do tempo, quando os efeitos gravitacionais podem fazer com que o tempo diminua.
Como o eLISA, o plano deles também requer que as espaçonaves voem em formação e se comuniquem usando lasers. Mas, em vez de retransmitir informações sobre as mudanças na distância, os lasers acompanharão pequenas discrepâncias na cronometragem entre relógios atômicos sincronizados instalados a bordo da espaçonave.
As mudanças temporais previstas são pequenas: "Estamos falando de uma parte em um milhão de trilhões em precisão de temporização", diz Loeb. "Para detectar esse tipo de mudança, você precisa de um relógio que não ganhe nem perca apenas um décimo de segundo, mesmo se operasse por 4, 5 bilhões de anos, ou toda a idade da Terra."
Até recentemente, esse tipo de precisão estava além da capacidade dos relógios atômicos que usam o elemento césio, que são a base para o atual padrão internacional de cronometragem. Mas no início de 2014, físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) revelaram um relógio atômico experimental de "rede ótica" que estabeleceu novos recordes mundiais para precisão e estabilidade. Estes relógios operam em frequências ópticas e, portanto, fornecem maior precisão do que os relógios atômicos de césio, que dependem de microondas para manter o tempo.
Em teoria, os relógios atômicos ópticos podem fornecer a precisão necessária para detectar os pequenos deslocamentos de tempo previstos a partir de ondas gravitacionais. Loeb e Maoz argumentam que seu design seria mais simples e poderia ser alcançado por um custo menor, porque exigiria lasers menos potentes que o eLISA. Relógios atômicos de menor precisão já estão sendo usados em satélites GPS, então Loeb acredita que deve ser possível enviar a nova geração de relógios atômicos também para o espaço.
Duas espaçonaves colocadas à distância certa podiam sentir tanto o pico quanto a depressão de uma onda gravitacional que passava. (Loeb et al., Arxiv.org) A melhor configuração seria um par de relógios atômicos instalados em espaçonaves gêmeas que compartilham a órbita da Terra em torno do sol. Uma espaçonave principal também estaria em órbita para coordenar os sinais vindos dos relógios. A embarcação que carrega o relógio deve estar separada por cerca de 93 milhões de milhas - aproximadamente a distância entre a Terra e o Sol, ou uma unidade astronômica (AU).
“Essa é uma boa coincidência, porque uma UA é aproximadamente igual a meio comprimento de onda para uma onda gravitacional [de baixa freqüência], como o tipo que cientistas pensam que a fusão de buracos negros supermassivos emitem”, diz Loeb. Em outras palavras, essa seria precisamente a distância certa para sentir tanto o pico quanto a depressão de uma onda gravitacional passando pelo sistema solar, de modo que os relógios atômicos posicionados nesses dois pontos experimentariam os maiores efeitos de dilatação do tempo.
Por enquanto, essa missão não está em nenhuma bancada de agência espacial ou proposta orçamentária. Mas Loeb espera que a ideia desencadeie um estudo mais cuidadoso das alternativas da eLISA. O projeto eLISA "beneficiou-se de décadas de discussão, por isso devemos permitir que esse projeto alternativo seja estudado pelo menos por alguns meses antes de descartá-lo".
Loeb acrescenta que existem inúmeras aplicações práticas de ter relógios atômicos mais precisos no espaço, como melhor precisão do GPS e melhor comunicação. Ele acredita que os primeiros relógios de rede ótica poderiam ser lançados por empresas para fins comerciais, e não por agências governamentais. "Se isso acontecer, qualquer ciência que sairmos disso seria um subproduto", diz ele.
Jun Ye, um físico da Universidade do Colorado e membro do NIST, diz que a proposta de Loeb e Maoz "abre uma nova frente intelectual" no uso de relógios ópticos para testar a física fundamental, incluindo a busca por ondas gravitacionais. "Estou otimista sobre a melhoria dos relógios ópticos e seu uso eventual em tais aplicações", diz Ye.
