Ligar o microfone cósmico Understand article

Traduzido por Pedro Augusto. Uma nova ferramenta permite aos astrónomos ‘ouvir’ o Universo pela primeira vez.

A imagem é cortesia de
Grant/Flickr e da ESA / C
Carreau

Na manhã do dia 14 de setembro de 2015 um sinal de dois buracos negros que colidiram há 1.3 biliões de anos chegou à Terra, alertando cientistas por todo o planeta. “Levou-nos a maior parte do dia a convencer-nos que isto não era um berbequim”, diz a professora Gabriela González. De facto, tratava-se da primeira deteção de ondas gravitacionais e do último desenvolvimento na longa história da Astronomia.

Quando Galileu introduziu pela primeira vez o telescópio nos anos 1600s, os astrónomos conquistaram a capacidade de ver partes do Universo que eram invisível a olho nú. Isto levou a séculos de descobertas – telescópios cada vez mais avançados expunham novos planetas, galáxias e mesmo um breve olhar ao Universo inicial. Em 2015 os cientistas conquistaram uma outra preciosa ferramenta: a capacidade de ‘ouvir’ o cosmos através das ondas gravitacionais.

Ondas no espaço-tempo

Newton descreveu a gravidade como uma força. Pensar na gravidade desta forma pode explicar a maior parte dos fenómenos que acontecem aqui na Terra. Por exemplo, a força da gravidade a agir numa maçã fá-la cair de uma árvore numa pessoa descontraída que se sente debaixo dela. Contudo, para compreender a gravidade numa escala cósmica, temos de recorrer a Einstein, que a descreveu como a curvatura do próprio espaço-tempo.

Alguns físicos descrevem este processo utilizando uma bola de bowling e um cobertor: a bola colocada no centro do cobertor curva o material têxtil em torno dela. Quanto mais pesado for um objeto mais se afunda. Conforme a bola se desloca no cobertor são produzidas ondas, semelhantes às causadas pelo movimento de um barco sobre a água.

Uma simulação de dois buracos negros em agregação e a resultante emissão de radiação gravitacional
A imagem é cortesia da NASA / C Henze
 

“A curvatura é o que provoca a órbita da Terra em torno do Sol – o Sol é uma bola de bowling num tecido e é aquela curvatura neste que faz a Terra andar à volta”, explica González, que é a porta-voz da colaboração Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Tudo o que tem massa – planetas, estrelas e pessoas – puxa o tecido do espaço-tempo e produz ondas gravitacionais enquanto se desloca através do espaço. Estas ondas passam por nós constantemente, mas são fracas demais para serem detetadas.

Para encontrar estes elusivos sinais, os físicos contruíram o LIGO, observatórios gémeos na Luisiana e em Washington, nos EUA. Em cada detetor em forma de L um feixe laser é dividido e enviado por dois braços com 4km. Os feixes refletem-se em espelhos em cada extremidade e regressam para se reunir. Uma onda gravitacional que passe entretanto altera ligeiramente os comprimentos relativos dos braços, criando uma alteração que os físicos conseguem detetar.

Ao contrário dos telescópios, que se apontam para locais muito específicos do céu, detetores como o LIGO rastreiam uma área muito maior do Universo e ouvem fontes de todas as direções. “Os detetores de ondas gravitacionais são como que microfones”, diz Laura Nuttall, uma investigadora pós-doc da Syracuse University, EUA.

As primeiras deteções

Naquela manhã de setembro de 2015, quando a primeira onda gravitacional passou através dos dois detetores, o LIGO ainda estava a ser preparado para uma sequência observacional. Os investigadores ainda estavam a correr testes e diagnósticos durante o dia – foi por isto que tiveram de efetuar um elevado número de verificações e análises para garantir que o sinal era real.

Meses mais tarde, assim que os investigadores já tinham verificado os dados meticulosamente para despistar erros ou ruído (tais como relâmpagos ou tremores de terra), a colaboração LIGO anunciou ao mundo que finalmente tinham atingido um objetivo longamente esperado: quase 100 anos depois de Einstein ter, pela primeira vez, previsto a existência de ondas gravitacionais, eles tinham-na detetado.

Poucos meses depois do primeiro sinal ter chegado, o LIGO detetou uma outra colisão de buracos negros. “Encontrar um segundo demonstra que há uma população de fontes que produzirá ondas gravitacionais detetáveis”, diz Nuttall. “Agora somos realmente um observatório.”

Vista aérea do detetor de ondas gravitacionais LIGO em Livingston, Luisiana
A imagem é cortesia do LIGO/Penn State; fonte: Flickr

Microfones cósmicos

Muitos classificaram a deteção como a alvorada da época da Astronomia de Ondas Gravitacionais. Os cientistas esperam ver centenas, talvez mesmo milhares, destes buracos negros binários durante os próximos anos. Detetores de ondas gravitacionais também vão permitir aos astrónomos olhar bem mais de perto outros fenómenos astronómicos tais como estrelas de neutrões, supernovas e, mesmo, o Big Bang.

Um importante próximo passo é detetar correspondentes óticos das fontes de ondas gravitacionais – tais como luz da matéria circundante ou explosões em raios gama. Para tal, os astrónomos precisam de apontar os seus telescópios para a área do céu de onde vieram as ondas gravitacionais, para ver se encontram alguma luz detetável.

Neste momento, este feito é como encontrar uma agulha num palheiro. Uma vez que o campo de visão dos detetores de ondas gravitacionais é muito, muito maior do que o dos telescópios, é extremamente difícil ligar os dois. “Relacionar as ondas gravitacionais com a luz pela primeira vez vai ser uma conquista tão importante que, definitivamente, vale o esforço”, diz Edo Berger, um professor de Astronomia da Universidade de Harvard.

O LIGO é apenas um de vários observatórios de ondas gravitacionais. Outros observatórios na Terra, tais como o Virgo na Itália, o KAGRA no Japão e o futuro LIGO Índia têm sensibilidades semelhantes ao LIGO. Há ainda outras abordagens que os cientistas estão a utilizar – e planeiam utilizar no futuro – para detetar ondas gravitacionais a frequências completamente diferentes.

Imagem artística de ondas gravitacionais geradas por um binário de estrelas de neutrões
A Imagem é cortesia da Penn State; fonte: Flickr
 

A evoluída Laser Interferometer Space Antenna (eLISA), por exemplo, é um detetor de ondas gravitacionais que os físicos planeiam construir no espaço. Uma vez completa, a eLISA será composta de três naves espaciais que estarão a mais de um milhão de quilómetros de distância umas das outras, tornando-a sensível a frequências de ondas gravitacionais muito mais baixas, onde os cientistas esperam detetar buracos negros supermassivos.

A deteção de pulsares por “redes de tempo” é um método completamente diferente. Os pulsares são relógios naturais, emitindo regularmente feixes de radiação eletromagnética. Os astrónomos medem cuidadosamente o tempo de chegada dos pulsos, de forma a encontrarem discrepâncias, já que quando uma onda gravitacional passa, o espaço-tempo curva-se, alterando a distância entre nós e o pulsar, o que faz com que os seus pulsos cheguem ligeiramente mais cedo ou mais tarde. Este método é sensível a frequências ainda mais baixas do que a eLISA consegue detetar.

Estes e muitos outros observatórios revelar-nos-ão uma nova visão sobre o Universo, ajudando os cientistas a estudar fenónomos como a agregação de buracos negros, a testar teorias da gravidade e possivelmente mesmo na descoberta de algo completamente inesperado, diz Daniel Holz, um professor de Física da Universidade de Chicago. “Normalmente em Ciência apenas empurramos as fronteiras um pouco mas, neste caso, estamos a abrir uma fronteira completamente nova.”

Agradecimento

Este artigo é reproduzido com a simpática autorização da revista Symmetryw1, onde foi publicado originalmente.

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Web References

  • w1 – A revista Symmetry é uma publicação online gratuita que cobre a Física de Partículas. É publicada em conjunto pelo Fermi National Accelerator Laboratory e pelo SLAC National Accelerator Laboratory, EUA.

Author(s)

A Diana é uma jornalista de Ciência freelancer localizada em Berlim, Alemanha. O seu trabalho tem aparecido quer online quer impresso em numerosos locais, incluindo Scientific American, Quartz e New Scientist.


Review

Grandes notícias para todos – depois de anos à procura de ondas gravitacionais, os cientistas, finalmente, detetaram-nas. Este artigo é uma boa leitura para professores de Física e Ciência. Pode ser utilizado como base para uma discussão na aula, principalmente focando os problemas associados com a deteção de ondas gravitacionais mas, mais importante, as suas aplicações no dia-a-dia.


Paul Xuereb, Malta




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