A excelente publicação de Ciências, Symmetry Magazine, publicou um artigo em que se faz uma actualização do “estado da arte” dos desenvolvimentos sobre a detecção, e como esta pode vir a ser confirmada, das ondas gravitacionais.
Aqui traduzo e adapto para o AstroPT.
Ligando o Microfone Cósmico.
Quando Galileu utilizou o telescópio em 1600, os astrónomos obtiveram a capacidade de visualizar partes do universo que eram invisíveis a olho nu. Isto levou a séculos de descobertas com os telescópios avançados, e expuseram-se novos planetas, galáxias e até um vislumbre do universo quando este era ainda muito novo.
Para terem uma ideia, hoje em dia com um telescópio razoável na capacidade e no preço conseguem-se ver os anéis de Saturno, ao dobro da distância de Júpiter, e as 4 luas grandes de Júpiter. Galileu viu estas luas mas já não conseguia ver os anéis de Saturno.
Em Setembro de 2015, os cientistas ganharam mais uma ferramenta de valor inestimável: a capacidade de ouvir o cosmos através das ondas gravitacionais.
Ondulações no espaço-tempo, imagem representativa das coordenadas do espaço e das do tempo, num modelo de Universo fechado.
Créditos: Encyclopædia Britannica, 2016.
Newton descreveu a gravidade como uma força. Pensando sobre a gravidade desta forma podem-se explicar a maioria dos fenómenos que acontecem aqui na Terra. Por exemplo, a história da força da gravidade actuando sobre uma maçã é uma lenda que nada tem que ver com a descoberta de Newton, que não andava a levar com maçãs na cabeça para fazer descobertas. No entanto, para compreender a gravidade numa escala cósmica, temos de recorrer a Einstein, que descreveu a gravidade como a curvatura do espaço-tempo.
Alguns físicos descrevem este processo utilizando uma bola de softball e um cobertor. Imagine o espaço-tempo como um cobertor. Uma esfera colocada no centro da manta dobra o tecido ao seu redor. Quanto mais pesado um objeto é, tanto mais se afunda. Se se correr a bola ao longo do tecido, produzem-se ondulações, muito parecidas com as da esteira dum veleiro que navega através da água.
“Esta curvatura é o que faz a Terra orbitar o Sol – o Sol é uma bola de softball num tecido e é essa dobra no tecido que faz a terra girar ao redor”, explica Gabriela González, porta-voz da colaboração Gravitational-Wave Observatory Laser Interferometer (LIGO).
Tudo o que tenha massa, os planetas, as estrelas e as pessoas, quando se move através do espaço, puxa o tecido do espaço-tempo e produz ondas gravitacionais.
Sim, enquanto está a ler este post até os seus olhos produzem ondas gravitacionais no tecido do espaço tempo, simplesmente estas são tão leves e subtis que não as vê.
A gravitação é a força mais débil da natureza; lembre-se que vence toda a Gravidade da Terra por uns momentos quando atira uma caneta, ou uma bola de softball, ao ar.
Estas ondas estão a passar através de nós a todo o tempo, mas são fracas demais para as detectarmos.
Para detectar esses sinais evasivos, os físicos, com a ajuda dos operários da construção civil e dos engenheiros, construíram o LIGO, que são 2 observatórios individuais situados nos estados americanos da Louisiana e de Washington (na costa Oeste dos EUA). Em cada detector em forma de L, um feixe laser é dividido e reemitido através de dois braços de quatro quilómetros. Os feixes reflectem-se em espelhos colocados em cada extremidade e viajam de volta para se unirem de novo num só feixe. Uma onda gravitacional que os atravesse altera ligeiramente (muito ligeiramente mesmo) os comprimentos relativos dos braços, deslocando o caminho do feixe de laser, e gera uma alteração que pode ser detectada pelos físicos.
Para terem uma ideia desta detecção (comparem com Galileu) a alteração registada é o equivalente ao tamanho dum protão, uma partícula composta e minúscula, muito muito pequena, a dividir por…100 mil !
Ao contrário dos telescópios, que são apontados em direcção a partes muito específicas do céu, os detectores como os do LIGO observam uma área muito maior do universo e tentam ouvir fontes provenientes de todas as direcções. “Os detectores de ondas gravitacionais são como microfones”, refere Laura Nuttall, investigadora de pós-doutoramento na Universidade de Syracuse.
Localização da zona de origem das zonas gravitacionais. Algures neste enorme arco. Crédito: Lisa
Primeiras detecções
Na manhã de 14 de Setembro de 2015, uma onda gravitacional gerada por dois buracos negros em fusão que colidiram há 1,3 mil milhões de anos, passou por dois detectores do LIGO, e um sistema de alerta automático emitiu um ping para os cientistas do LIGO em todo o mundo. “Levou-nos uma boa parte do dia para nos convencermos que não se tratava duma simulação preliminar,” diz González.
Isto porque o LIGO ainda se estava a preparar para uma observação, os investigadores ainda procediam a testes e diagnósticos durante o dia. Foi então necessário realizar um grande número de verificações e de análises para garantir que o sinal era real.
Meses mais tarde, uma vez que os investigadores tiveram meticulosamente verificados os dados para filtrar erros ou ruído (tais como raios ou terramotos) a colaboração LIGO anunciou ao mundo que tinha finalmente alcançado um objectivo há muito esperado: Quase 100 anos depois de Einstein ter previsto a sua existência, os cientistas tinham detectado ondas gravitacionais.
Poucos meses depois da detecção do primeiro sinal, o LIGO captura ainda uma outra colisão de buracos negros. “Encontrámos uma segunda prova de que há uma população de fontes que vão produzir ondas gravitacionais detectáveis”, diz Nuttall. “Estamos agora, na verdade, num observatório.”
Microfones Cósmicos.
Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago, com Lexi Fodor.
Uma nova Era na Astronomia
Muitos têm chamado à detecção de ondas gravitacionais a “Aurora da era da astronomia das ondas gravitacionais.” Os cientistas esperam ver centenas, talvez mesmo milhares, desses buracos negros binários nos anos vindouros, e os detectores de ondas gravitacionais também permitirão aos astrónomos observar com muito maior resolução outros fenómenos astronómicos, como as estrelas de neutrões, as supernovas e até mesmo o Big Bang, ou as marcas deixadas pela turbulência da Inflação cósmica.
Um importante passo seguinte é detectar as correspondências ópticas como a luz da matéria ou das rajadas dos raios gama circundantes das fontes das ondas gravitacionais. Para fazer isso, os astrónomos precisam de apontar os seus telescópios para a área do céu onde as ondas gravitacionais se originaram para encontrar qualquer luz detectável.
Actualmente, será como encontrar uma agulha num palheiro. Uma vez que o campo de visão de detectores de ondas gravitacionais é muito, mas muito maior do que os dos telescópios, é extremamente difícil correlacionar os dois. “Ligar ondas gravitacionais com a luz pela primeira vez, será uma descoberta tão importante que definitivamente vale a pena o esforço”, diz Edo Berger, professor de astronomia da Universidade de Harvard.
O Ligo é também um de vários observatórios de ondas gravitacionais. Outros observatórios terrestres, como a Virgo na Itália, o KAGRA no Japão e no futuro o LIGO-Índia têm sensibilidades semelhantes à do LIGO. Há também outras abordagens que os cientistas estão utilizando e pretendem usar no futuro, para detectar ondas gravitacionais em frequências completamente distintas.
O interferómetro espacial mais sofisticado designado por evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA), por exemplo, é um detector de ondas gravitacionais que os físicos planeiam construir no espaço. Uma vez completo, o eLISA será composto por três naves espaciais que estarão a mais de um milhão de quilómetros de distância entre si, tornando o conjunto sensível a frequências de ondas gravitacionais muito mais baixas, e pelas quais os cientistas esperam detectar buracos negros supermassivos.
A “Pulsar Array” de temporização é um método completamente diferente de detecção. Os pulsares (estrelas de neutrões com a zona emitente de ondas rádio virada para a Terra) são cronometristas naturais, que emitem regularmente feixes de radiação electromagnética.
Os astrónomos medem cuidadosamente o tempo de chegada dos impulsos para encontrar discrepâncias, porque quando uma onda gravitacional passa, o espaço-tempo entorta-se, alterando a distância entre nós e o Pulsar, fazendo com que os impulsos cheguem um pouco mais cedo ou mais tarde. Este método é sensível a frequências até mais baixas do que as do eLISA.
Estes e muitas outros observatórios irão revelar uma nova visão do universo, ajudando os cientistas a estudar fenómenos como a fusão de buracos negros, a testar teorizações mais complexas da gravitação (que a unifiquem com as forças da realidade quântica, ou do muito pequeno, por exemplo com o electromagnetismo) e possivelmente até mesmo para descobrir algo completamente inesperado, diz Daniel Holz, professor de física e astronomia da Universidade de Chicago.
“Normalmente, na ciência empurram-se os limites do conhecimento apenas um pouco, mas, neste caso, estamos a abrir toda uma nova fronteira.”
O objectivo, caros leitores, é o de se estabelecer um modelo teórico que explique porque cai ao chão o íman do frigorífico quando o retiramos da porta deste electrodoméstico, e….porque não cai quando lá o deixamos.
Conseguimos explicar uma e outra coisa, mas não conseguimos explicar as 2 num só modelo.
Será o “ultimate triumph of Science,” o maior triunfo da Ciência, quando o fizermos, como diz o Professor Stephen Hawking.
Aqui poderão ler algumas tentativas e os últimos avanços, à luz das especulações matemáticas de Leonard Susskind.
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