O Que São Ondas Gravitacionais?

No final do século XVII, o cientista inglês Isaac Newton postulou a existência de uma força atractiva universal que explicaria de uma assentada fenómenos como a queda de uma maçã e o movimento orbital dos planetas. Chamou-lhe “gravidade”, do latim gravis “pesado”. Newton percebeu que a propriedade dos corpos responsável por essa força misteriosa era a massa e verificou também que, tal como a luz, esta força decaía em intensidade com o quadrado da distância. A descrição matemática de Newton foi reformulada com a noção de “campo gravitacional” por gerações subsequentes de matemáticos e astrónomos, mas apesar do sucesso da sua Teoria da Gravitação, a natureza da força da gravidade permaneceu um mistério. Aliás, ainda hoje é um mistério e a sua relação com as restantes 3 forças fundamentais — electromagnética, nuclear forte e nuclear fraca — pouco clara.

O campo gravitacional conjunto da Terra (azul) e da Lua (laranja).

No início do século XX, no entanto, Albert Einstein propôs uma interpretação revolucionária da gravidade que resulta da sua Teoria da Relatividade Geral. Imagine a superfície plana de um colchão macio numa cama feita. Imagine agora que atira para cima dele uma bola de futebol. A bola aterra sobre o colchão e forma uma ligeira depressão no ponto de contacto, afundando-se ligeiramente. Nesta analogia, o seu colchão é o espaço e a bola é uma estrela. A massa da estrela altera a geometria do espaço (e do tempo) nas suas imediações e é essa deformação que nós percepcionamos como a gravidade. Para Einstein, a gravidade não é uma força no sentido clássico do termo, a gravidade é geometria.

Representação da geometria do espaço na vizinhança da Terra e da Lua, deformada pela presença de massa.

A Teoria da Relatividade Geral é um dos baluartes da física moderna e as suas previsões têm vindo a ser sucessivamente verificadas, em especial a partir da segunda metade do século XX. Uma das previsões mais espectaculares da teoria diz respeito à existência de “ondas gravitacionais”. Em certas circunstâncias, quando corpos com massa elevada são sujeitos a grandes acelerações, as deformações que provocam não se restringem às suas imediações mas antes propagam-se no espaço à velocidade da luz.

A propagação de ondas gravitacionais geradas por um sistema binário formado por objectos compactos como estrelas de neutrões ou buracos negros. Crédito: LIGO.

Tal como as ondas electromagnéticas, a principal característica das ondas gravitacionais é a sua frequência e a teoria prevê a existência de vários tipos de fontes que emitem em frequências distintas. Um exemplo, muito falado em 2015, é o das ondas gravitacionais que terão, segundo algumas teorias, sido geradas nos instantes que precederam o Big Bang e cujos efeitos pareciam ter sido detectados pela experiência BICEP2.

Efeito da propagação de uma onda gravitacional no espaço. Note-se a deformação alternada nos eixos horizontal e vertical das circunferências. Crédito: ESA.

A propagação de uma destas ondas provoca a distorção do espaço em direcções ortogonais de forma alternada, ao sabor da frequência da onda. Este efeito permite, em princípio, a detecção directa da sua passagem medindo cuidadosamente os deslocamentos de objectos colocados a distâncias conhecidas. Este é o método utilizado no LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) que esteve em actividade entre 2002 e 2010. Seguiram-se vários anos durante os quais o observatório recebeu novos detectores, muito mais sensíveis. O Advanced LIGO, como é agora chamado, reiniciou as observações em Setembro do ano passado.

Este observatório permitirá, espera-se, detectar ondas gravitacionais provenientes de sistemas binários contendo buracos negros e/ou estrelas de neutrões, e de supernovas assimétricas.

As diferentes fontes de ondas gravitacionais e respectivas frequências, e os instrumentos capazes de as detectar.

Outros instrumentos como interferómetros espaciais — cuja tecnologia está agora a ser testada pela missão LISA (Laser Interferometer Space Antenna) Pathfinder, da ESA — , radiotelescópios e telescópios de microondas, permitem em princípio detectar directamente outro tipo de fontes. Até à data, no entanto, nenhuma destas vias produziu resultados positivos.

A detecção directa de ondas gravitacionais (porque já há evidências indirectas de que existem e essa descoberta até deu origem a um prémio Nobel) seria uma confirmação espectacular da Teoria da Relatividade Geral. Mas seria muito mais do que isso. Proporcionaria uma janela de observação para fenómenos não acessíveis aos telescópios convencionais, como os instantes que precederam o Big Bang, a génese de uma supernova ou a colisão de buracos negros.