Cientistas confirmam que ondas gravitacionais realmente existem

Físicos estão à caça de ondas gravitacionais – pequenas vibrações no tecido do espaço-tempo – desde que Albert Einstein previu a existência delas há um século. Ondas gravitacionais existem, e finalmente foram encontradas por cientistas.

É isso o que dizem pesquisadores do LIGO (Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser), que vêm trabalhando há semanas para confirmar que a primeira detecção direta de uma onda gravitacional realmente aconteceu. Sinais falsos já foram detectados anteriormente, e mesmo que rumores circulem há cerca de um mês, a equipe do LIGO quis ter certeza absoluta da descoberta antes de fazer um anúncio oficial.

E esse anúncio finalmente aconteceu. As ondas gravitacionais foram observadas na manhã do dia 14 de setembro de 2015, pelos dois detectores LIGO, localizados em duas cidades a 3.000 km de distância nos EUA. A fonte? Um buraco negro supermassivo que colidiu há 1,3 bilhão de anos. Quando isso aconteceu, cerca de três vezes a massa do Sol foi convertida em energia em uma fração de segundo.

Ondas gravitacionais são vibrações no universo causadas por algum tipo de evento cósmico energético, de explosão de estrelas a fusão de buracos negros supermassivos. Conforme elas se propagam através do espaço e do tempo, as ondas gravitacionais causam pequenos tremores nos átomos que compõem a matéria.

Einstein as previu na sua teoria geral de relatividade em 1916, e sua existência foi indiretamente demonstrada em 1980, mas foi só quando o detector LIGO foi ligado em 2002 que a caçada pelas ondulações no espaço-tempo ficou realmente séria.

A primeira geração do experimento LIGO, que durou oito anos, não foi sensível o bastante para detectar essas ondas. Isso é compreensível. Ondas gravitacionais são minúsculas: os tremores atômicos que passam pelo nosso mundo quando dois buracos negros colidem em uma galáxia distante são da ordem de um bilionésimo de um bilionésimo do diâmetro de um átomo.

O LIGO usa lasers de alta potência para medir mudanças pequenas na distância entre dois objetos posicionados a milhares de quilômetros de distância. Milhões de coisas podem atrapalhar essa busca, incluindo a vibração causada pela passagem de um trem, um terremoto na Terra, e a realidade inconveniente de que todos os objetos com temperatura acima do zero absoluto estão vibrando o tempo inteiro.

Após uma série de atualizações feitas entre 2010 e 2015, o LIGO voltou a funcionar no ano passado. Com lasers mais potentes e um sistema melhorado de isolamento das vibrações do solo, as possibilidades de detecção da primeira onda gravitacional nunca foram maiores. Alguns cientistas até previram que teríamos nossa primeira detecção positiva em 2016 – mas poucos imaginavam que isso aconteceria tão rápido.

Na verdade, as ondas gravitacionais foram detectadas quase que imediatamente pelo LIGO. A equipe então passou meses investigando exaustivamente potenciais distúrbios ambientais ou instrumentais para confirmar que o sinal era real. O estudo foi aceito para ser publicado pela Physical Review Letters.

De acordo com a teoria da relatividade de Einstein, quando um buraco negro orbita em direção a outro, eles perdem energia lentamente, o que faz com que eles se aproximem gradualmente. Nos minutos finais dessa fusão, eles aumentam consideravelmente a velocidade, até que, finalmente, se movendo a mais ou menos metade da velocidade da luz, eles se unem, formando um buraco negro maior. Uma tremenda explosão de energia é liberada, propagando-se através do espaço como ondas gravitacionais.

Os dois buracos negros por trás de tudo possuem 29 e 36 vezes a massa do Sol, respectivamente. Os pesquisadores do LIGO estimam que, durante o pico da colisão cósmica, a energia liberada foi 50 vezes a de todo o universo visível.

“Essa observação foi maravilhosamente descrita na teoria geral da relatividade de Einstein formulada há 100 anos, e representa o primeiro teste da teoria em gravidade forte”, disse Rainer Weiss, o primeiro a propor o LIGO como forma de detecção de ondas gravitacionais nos anos 1980. “Seria fantástico ver o rosto de Einstein se pudéssemos contar isso a ele.”

A descoberta das ondas gravitacionais foi assunto de rumores nas últimas semanas. Cientistas ficaram empolgados e deixaram escapar a informação em diversas ocasiões. Na semana passada, o físico teórico Clifford Burgess, da Universidade McMaster (Canadá), enviou um email para todo o departamento dizendo que o LIGO encontrou um sinal real e “espetacular” da fusão de dois buracos negros.

Essa descoberta confirma um aspecto importante da teoria da relatividade, e vai muito além disso. Ele praticamente abre um novo capítulo na nossa exploração do cosmos, um em que a radiação eletromagnética não será nossa única ferramenta para “olhar” o universo. Como o astrofísico do MIT Scott Hughes disse ao Gizmodo, podemos usar ondas gravitacionais para sondar objetos celestiais misteriosos como buracos negros e estrelas de nêutrons, que normalmente não têm luz.

“Há muita informação rica codificada nas ondas gravitacionais,” ele explicou, notando que a forma da ondulação no espaço-tempo pode revelar o movimento e tamanho do objeto que a produziu. “Como astrônomo, tento pensar sobre como vamos do ‘som’ da forma de onda medida pelo LIGO, para os parâmetros que produzem a forma de onda.”

Hughes também destaca que, assim que nossos detectores forem sensíveis o suficiente para detectar ondas gravitacionais regularmente, poderemos começar a construir um censo dos eventos mais energéticos do universo. “Conseguir dados demográficos é uma das principais coisas a se fazer em uma era de detecção,” ele disse.

“Seja lá quando a primeira detecção acontecer, vai ter uma festa, sem dúvidas,” ele continuou. “Mas, depois disso, quando a detecção se tornar rotineira, é aí que as coisas vão ficar realmente interessantes.”

Uma caçada de mais de um século chegou ao fim. Mas uma nova exploração cósmica está apenas começando.

Por que os cientistas estão tão ansiosos para encontrar ondas gravitacionais?

Descobrir as ondas gravitacionais seria muito importante para a física, para a cosmologia e para nossa compreensão do universo em geral. Mas se você não é um cientista nesses campos, é possível que nunca tenha ouvido falar dessas ondulações misteriosas. O que são exatamente essas ondas, e por que os físicos se esforçam para encontrá-las há um século?

Em termos simples, as ondas gravitacionais são vibrações no tecido do universo. São ondulações à velocidade da luz no próprio espaço-tempo causadas ​​por eventos terrivelmente violentos, como explosões de estrelas ou fusões de buracos negros. Graças a acontecimentos celestes inconcebivelmente grandes, violentos e distantes, os átomos que compõem tudo – desde as estrelas no céu até os seres humanos na Terra – estão tremendo um pouco, o tempo todo.

E “um pouco” é pouco mesmo. Apesar de toda a energia necessária para produzir ondas gravitacionais, as ondulações no espaço-tempo em si são incrivelmente fracas. Os físicos estimam que, quando as ondas gravitacionais chegam à Terra, elas têm um bilionésimo do diâmetro de um átomo. Você precisa de instrumentos ridiculamente precisos que operem em ambientes completamente sem ruído para medi-los, e até muito recentemente, nossos detectores simplesmente não eram capazes disso.

Mas a detecção de ondas gravitacionais vem mudando nos últimos tempos. O LIGO (Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser) é nosso principal observatório terrestre na área, e vem recebendo uma série de melhorias; e foi lançado o primeiro detector espacial de ondas gravitacionais, o LISA Pathfinder. Armados com estes dois laboratórios, os físicos esperavam medir nossas primeiras ondulações no espaço-tempo até o final da década. Agora, parece que esse dia chegou mais cedo que o previsto.

Por que observar as ondas gravitacionais é tão importante?

Além de confirmarem boa parte da teoria da relatividade geral de Einstein, as ondas gravitacionais podem ser usadas ​​para sondar alguns dos fenômenos mais misteriosos do cosmos. Bill Weber, cientista do LISA Pathfinder, disse ao Gizmodo que elas são “a forma mais direta de se estudar a grande parte do universo que é escura”.

Os buracos negros, estrelas de nêutrons e outros objetos que não emitem luz são muito difíceis de se estudar diretamente. Mas as ondas gravitacionais, que passam por tais objetos como faca em manteiga, nos oferecem uma janela. Ao sondar o universo escuro com ondas gravitacionais, podemos descobrir novas maravilhas celestes que nunca imaginávamos.

Além disso, as ondas gravitacionais agem como impressões digitais dos eventos mais energéticos do universo. Por isso, elas podem nos ajudar a entender como a força da gravidade opera em condições extremas; isto é, próximo ao limite de campo forte. Há muito que não sabemos sobre como a gravidade funciona quando objetos de grande massa dançam um em torno do outro a velocidades próximas à da luz.

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