Brasileiros integram consórcio que observou ondas gravitacionais e buracos negros

Após uma série de rumores nos últimos meses, um consórcio internacional de cientistas, integrado por pesquisadores do Brasil, confirmou ontem (11/02) ter feito a primeira detecção direta de ondas gravitacionais – oscilações do espaço-tempo previstas por Albert Einstein (1879 –1955) há um século – geradas pela colisão e fusão de dois buracos negros.

O anúncio foi feito por cientistas do projeto Ligo (sigla em inglês de Laser Interferometer Gravitacional-wave Observatory) em uma coletiva de imprensa promovida pela National Science Foundation (NSF) em Washington, nos Estados Unidos, e publicado em um artigo na revista Physical Review Letters.

A colaboração científica reúne mais de mil cientistas de mais de 90 universidades e instituições de pesquisa de 15 países, além dos Estados Unidos.

Entre os participantes do projeto estão Odylio Denys de Aguiar, Marcio Constâncio Júnior, César Augusto Costa, Allan Douglas dos Santos Silva, Elvis Camilo Ferreira e Marcos André Okada, todos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), e Riccardo Sturani, pesquisador do Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp).  

Os pesquisadores do Brasil participam da colaboração científica Ligo por meio de projetos apoiados pela FAPESP.

“Senhoras e senhores, nós detectamos ondas gravitacionais. Nós conseguimos”, anunciou David Reitze, diretor executivo do projeto Ligo, durante o evento.

Usando detectores gêmeos do projeto Ligo, situados um em Livingston, em Louisiana, e o outro em Hanford, em Washington, nos Estados Unidos – a três mil quilômetros de distância um do outro –, os pesquisadores afirmaram ter observado, pela primeira vez, ondas gravitacionais a partir de um evento cataclísmico, denominado GW 150914, em uma galáxia distante mais de 1 bilhão de anos-luz da Terra.

As ondas gravitacionais foram detectadas em 14 de setembro de 2015, às 6h51 no horário de Brasília, pelos detectores do Ligo.

Os pesquisadores afirmaram que as ondas gravitacionais foram produzidas durante os momentos finais da fusão de dois buracos negros que giraram um em torno do outro, como dois piões, irradiando energia como ondas gravitacionais.

Essas ondas gravitacionais têm um som característico, chamado de sinal sonoro, que pode ser usado para medir as massas de dois objetos.

Após girarem em torno um do outro, os dois buracos negros se fundiram em um único e mais massivo buraco negro em rotação.

Eles estimam que a energia de pico liberada sob a forma de ondas gravitacionais durante os momentos finais da fusão dos buracos negros foi dez vezes maior do que a luminosidade combinada (a taxa na qual a energia é liberada como luz) de todas as galáxias no Universo observável.

“Foi a primeira vez que isso foi observado”, afirmou Reitze. “Os buracos negros têm apenas 150 quilômetros de diâmetro, mas 30 vezes a massa do Sol. Quando se fundem há uma grande explosão de ondas gravitacionais”, explicou.

Sistema de detecção

Causadas por alguns dos fenômenos mais violentos do Cosmos, como colisões e fusões de estrelas massivas compactas, a existência das ondas gravitacionais foi prevista por Einstein, em 1915, em sua Teoria da Relatividade Geral.

O cientista postulou que objetos massivos acelerados distorciam o espaço-tempo, produzindo mudanças no campo gravitacional – as ondas gravitacionais – que se deslocam para fora da massa e viajam à velocidade da luz através do Universo, levando informações sobre suas origens, além de pistas valiosas sobre a natureza da própria gravidade.

Essas ondas gravitacionais, contudo, têm amplitude um milhão de vezes menor do que o diâmetro de um próton e chegam à Terra com uma amplitude muito pequena.

A fim de tentar detectar e localizar fontes de ondas gravitacionais, os pesquisadores usaram uma técnica conhecida como interferometria a laser, que utiliza detectores distantes entre si para medir as diferenças das observações.

Dessa forma, por meio dos detectores do Ligo – que foram desenvolvidos e são operados pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT) e o California Institute of Technology (Caltech), ambos dos Estados Unidos –, eles conseguiram observar as ondas gravitacionais produzidas pela colisão e fusão de dois buracos negros há cerca de 1,3 bilhão de anos-luz da Terra que foram convertidas em trechos de som.

“Essa primeira observação das ondas gravitacionais abre uma nova janela de observação do Universo e marca o início de uma nova era na pesquisa em Astronomia e Astrofísica”, avaliou César Augusto Costa, pesquisador do Inpe.

O grupo de pesquisadores do Inpe, liderado por Aguiar, trabalha no aperfeiçoamento da instrumentação de isolamento vibracional do Ligo, que irá operar com espelhos resfriados, e na caracterização dos detectores, buscando determinar fontes de ruído.

Já o grupo do IFT-Unesp, dirigido por Sturani, trabalha na modelagem e análise dos dados de sinais de sistemas estelares binários coascentes.

A modelagem é particularmente importante porque as ondas gravitacionais têm interação muito fraca com toda a matéria, tornando necessários, além de detectores de alto desempenho, técnicas de análises eficazes e uma modelagem teórica precisa dos sinais, explicou Sturani.

“Essa primeira observação de ondas gravitacionais pelo Ligo é resultado de uma tomada de dados que ocorreu entre agosto e setembro do ano passado. A última tomada de dados terminou agora em janeiro e a análise completa deverá ser publicada em abril”, disse.

Além do artigo na  revista Physical Review Letters, os pesquisadores devem publicar nos próximos meses mais doze outros resultados da colaboração.

O artigo Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger (doi: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102), da LIGO Scientific Collaboration e Virgo Collaboration, pode ser lido em http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.116.061102.

Fonte: Elton Alisson  |  Agência FAPESP

Imagem: LIGO

Em 6 pontos: A descoberta que confirma teoria de Einstein e muda modo como vemos Universo

Há 100 anos, Albert Einstein previu a existência de ondas gravitacionais como parte de sua Teoria Geral da Relatividade.

Durante décadas, os cientistas vinham tentando, sem êxito, detectar essas ondas – fundamentais para entender as leis que regem no Universo.

Isso até esta quinta-feira - um dia que já vem sendo considerado histórico, já que um grupo de cientistas de vários países anunciou ter conseguido detectar pela primeira vez as chamadas ondas gravitacionais.

Essa comprovação é uma das maiores descobertas da ciência do nosso tempo porque, além de confirmar as ideias de Einstein, abre as portas para maneiras totalmente novas de se investigar o Universo. A partir de agora, a astronomia e outras áreas da ciência entram uma nova era.

Os pesquisadores do projeto LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ou observatório de Interferometria de Ondas Gravitacionais), em Washington e na Lousiana, observaram o fenômeno e acompanharam distorções no espaço com a interação de dois buracos negros a 1,3 bilhão de anos-luz da Terra.

Mas o que exatamente essa descoberta significa? Veja seis dos principais pontos.

O que exatamente são ondas gravitacionais?

Segundo a teoria de Einstein, todos os corpos em movimento emitem essas ondas que, como uma pedrinha que afeta a água quando toca nela, produz perturbações no espaço.

A Teoria da Relatividade de Einstein é um pilar da física moderna que transformou nosso entendimento do espaço, do tempo e da gravidade. E por meio delas entendemos muitas coisas: da expansão do Universo até o movimento dos planetas e a existências dos buracos negros.

Essas ondas gravitacionais são basicamente feixes de energia que distorcem o tecido do espaço-tempo, o conjunto de quatro dimensões formado por tempo e espaço tridimensional.

Assim, qualquer massa em movimento produz ondulações nesse tecido tempo-espaço. Até nós mesmos.

E Einstein previu que o Universo estava inundado por essas ondas. Esse efeito, no entanto, é muito fraco, e apenas grandes massas, movendo-se sob fortes acelerações, podem produzir essas ondulações em um grau razoável.

Assim, quanto maior essa massa, maior é o movimento e maior são as ondas. Nessa categoria entram explosões de estrelas gigantes, a colisão de estrelas mortas superdensas e a junção de buraco negros. Todos esses eventos devem radiar energia gravitacional na velocidade da luz.

Como os cientistas detectaram essas ondas?

Os pesquisadores trabalhavam há anos para detectar as minúsculas distorções causadas quando as ondas gravitacionais passam pela Terra. Os detectores nos Estados Unidos – localizados no Ligo – e na Itália (conhecido como Virgo) são ambos formados por dois túneis idênticos em forma de L, de 3 km de largura.

Nele, um feixe de laser é gerado e dividido em dois – uma metade é disparada em um túnel, e a outra entra pela segunda passagem.

Espelhos ao final dos dois túneis rebatem os feixes para lá e para cá muitas vezes, antes que se recombinem. Se uma onda passa pelo túnel, ela vai distorcer levemente seu entorno, mudando a longitude dos túneis em uma quantidade diminuta (apenas uma fração da largura de um átomo).

E a forma com que as ondas se movem pelo espaço significa que um túnel se estira e outro se encolhe, o que fará com que um raio laser viaje uma distância levemente maior, enquanto o outro fará uma viagem mais curta.

Como resultado, os raios divididos se recombinam de uma maneira diferente: as ondas de luz interferem entre si, em vez de se cancelarem. Essa observação direta abre uma nova janela para o cosmos, uma janela que não seria possível sem Einstein.

E qual a implicação disso?

Os objetos também emitem essas perturbações que acabaram de ser detectadas, mas a partir de agora os físicos poderão olhar os objetos com as ondas eletromagnéticas e escutá-los com as gravitacionais.

“Agora, o que se tem são sentidos diferentes e complementares, para estudar as mesmas fontes. E com isso, podemos extrair muito mais informações”, disse à BBC Mundo, Alicia Sintes, do departamento de física do Instituto de Estudos Espaciais da Catalunha, na Espanha, que participou do projeto.

“Não estamos falando de expandir um pouco mais o espectro eletromagnético, mas de um espectro totalmente novo.”

A especialista afirma as ondas eletromagnéticas dão informações do Universo quando ele tinha 300 mil anos de idade.

“Já com as ondas gravitacionais, pode-se ver as (ondas) que foram emitidas quando o Universo tinha apenas um segundo de idade.”

É isso que será possível estudar a partir de agora.

Outro impacto diz respeito aos buracos negros: nosso conhecimento sobre a existência deles é, na verdade, bastante indireto. A influência gravitacional nos buracos negros é tão grande que nem a luz escapa de sua força. Mas não podemos ver isso em telescópios, só pela luz da matéria sendo partida ou acelerada à medida que chega muito perto de um buraco negro.

Já as ondas gravitacionais são um sinal que vem desses objetos e carrega informações sobre eles. Nesse sentido, pode-se até dizer que a recente descoberta significa a primeira detecção direta dos buracos negros.

Qual o efeito causado por essas ondas na Terra?

Quando as ondas gravitacionais passam pela Terra, o tempo-espaço que nosso planeta ocupa deve se alternar entre se esticar e se comprimir.

Pense em um par de meias: quando você as puxa repetidas vezes, elas se alongam e ficam mais estreitas.

Os interferêmetros do Ligo, aparelhos usados para medir ângulos e distâncias aproveitando a interferência de ondas eletromagnéticas, vêm buscando esse estiramento e compressão por mais de uma década.

A expectativa era a de que ele detectaria distúrbios menores do que uma fração da largura de um próton, a partícula que compõe o núcleo de todos os átomos.

Qual pode ser o impacto dessa descoberta?

É fácil especular que as maiores revelações virão de áreas cujas dúvidas sequer foram levantadas. Sempre foi esse o caso quando novas técnicas de observação são descobertas.

Mas considere agora só a Teoria da Gravidade. Por mais brilhante que Einstein fosse, sabemos que suas ideias estão incompletas.

A teórica da Relatividade descreve o Universo muito bem em escalas amplas. Mas, para domínios menores, temos de recorrer a outras teorias.

Assim, não há uma quantificação da Teoria da Gravidade. Para chegarmos lá, temos de investigar lugares com gravidade extrema: os buracos negros.

É lá que rotas para explicações mais complexas podem ser encontradas, nos desvios que as ondas gravitacionais mostraram.

Essa detecção vai render o Prêmio Nobel para os cientistas?

É muitíssimo provável. Como sempre, o debate vai girar em torno dos envolvidos e seus lugares na cadeia de descobertas. Quem vai ser considerado o responsável pelas contribuições mais importantes para se chegar à detecção das ondas?

Mas uma coisa é certa: hoje as grandes descobertas para a ciência hoje estão atreladas a grandes máquinas. Além disso, sem a colaboração do Ligo com centenas de participantes – que trabalham em campos diferentes, usando tecnologias diferentes -, jamais chegaríamos a este momento.

Fonte: reportagem de BBC Mundo e Jonathan Amos

Imagem: Nasa