A primeira detecção direta de ondas gravitacionais deve ser anunciada em 11 de fevereiro pelos cientistas do Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro de Laser Avançado (LIGO). Usando dois detectores LIGO gigantes - um em Livingston, Louisiana e outro em Hanford, Washington - os cientistas mediram as ondulações no espaço-tempo que são geradas pela colisão de dois buracos negros e parecem ter finalmente encontrado o que procuravam.
Tal afirmação confirmaria as ondas gravitacionais previstas por Albert Einstein, que ele fez parte de sua teoria geral da relatividade há 100 anos, mas as consequências não terminarão aí. Como uma vibração da estrutura do espaço-tempo, as ondas gravitacionais são frequentemente comparadas ao som, até mesmo transformadas em trilhas sonoras. Os telescópios de ondas gravitacionais permitiriam aos cientistas "ouvir" fenômenos da mesma maneira que os telescópios de luz os "vêem".
Quando o LIGO lutou por financiamento do governo dos Estados Unidos no início dos anos 1990, os astrônomos eram seus principais contendores nas audiências no Congresso. “Naquela época, pensava-se que o LIGO não tinha nada a ver com astronomia”, diz Clifford Will, um teórico da relatividade geral da Universidade da Flórida em Gainesville e um dos primeiros proponentes do LIGO. Mas muita coisa mudou desde então.
Bem-vindo ao campo da astronomia de ondas gravitacionais. Vamos examinar os problemas e fenômenos que ela pode revelar.
Os buracos negros realmente existem?
O sinal esperado do anúncio do LIGO pode ter sido produzido por dois buracos negros em fusão. Eventos como esses são os mais enérgicos conhecidos; a força das ondas gravitacionais emitidas por eles pode eclipsar brevemente todas as estrelas do universo observado no total. Os buracos negros que se fundem também são muito fáceis de interpretar a partir de ondas gravitacionais puras.
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O sinal esperado do anúncio do LIGO pode ter sido produzido por dois buracos negros em fusão. Eventos como esses são os mais enérgicos conhecidos; a força das ondas gravitacionais emitidas por eles pode eclipsar brevemente todas as estrelas do universo observado no total. Os buracos negros que se fundem também são muito fáceis de interpretar a partir de ondas gravitacionais puras.
A fusão de buracos negros ocorre quando dois buracos negros giram em torno um do outro, emitindo energia na forma de ondas gravitacionais. Essas ondas têm um som característico (chirp) que pode ser usado para medir a massa desses dois objetos. Depois disso, os buracos negros geralmente se fundem.
“Imagine duas bolhas de sabão que se aproximam o suficiente para formar uma bolha. A bolha maior é deformada”, diz Tybalt Damour, um teórico da gravidade do Instituto de Pesquisa Científica Avançada, perto de Paris. O buraco negro final será perfeitamente esférico, mas deve primeiro emitir ondas gravitacionais de um tipo previsível.
Uma das implicações científicas mais importantes da descoberta de fusões de buracos negros será a confirmação da existência de buracos negros - pelo menos objetos perfeitamente circulares compostos de espaço-tempo puro, vazio e curvo, conforme previsto pela relatividade geral. Outra consequência é que a fusão prossegue como os cientistas previram. Os astrônomos têm muitas confirmações indiretas desse fenômeno, mas até agora essas foram observações de estrelas e gás superaquecido na órbita dos buracos negros, e não os próprios buracos negros.
“A comunidade científica, inclusive eu, não gosta de buracos negros. Nós as consideramos certas”, diz Frans Pretorius, um especialista em simulações de relatividade geral na Universidade de Princeton, em Nova Jersey. "Mas se você pensar sobre como essa previsão é incrível, precisamos de uma prova realmente incrível."
As ondas gravitacionais se movem na velocidade da luz?
Quando os cientistas começam a comparar as observações do LIGO com as de outros telescópios, a primeira coisa que verificam é se o sinal chegou ao mesmo tempo. Os físicos acreditam que a gravidade é transmitida por partículas de gráviton, o análogo gravitacional dos fótons. Se, como os fótons, essas partículas não têm massa, então as ondas gravitacionais se moverão na velocidade da luz, consistente com a previsão da velocidade das ondas gravitacionais na relatividade clássica. (Sua velocidade pode ser influenciada pela expansão acelerada do Universo, mas isso deve se manifestar em distâncias significativamente superiores às cobertas pelo LIGO).
É bem possível, entretanto, que os grávitons tenham uma pequena massa, o que significa que as ondas gravitacionais se moverão a uma velocidade menor que a da luz. Então, por exemplo, se LIGO e Virgem detectam ondas gravitacionais e descobrem que as ondas chegaram à Terra mais tarde do que associadas a um evento cósmico de raios gama, isso poderia ter consequências fatais para a física fundamental.
O espaço-tempo é feito de cordas cósmicas?
Uma descoberta ainda mais estranha poderia acontecer se explosões de ondas gravitacionais fossem detectadas emanando de "cordas cósmicas". Esses hipotéticos defeitos de curvatura do espaço-tempo, que podem ou não estar relacionados às teorias das cordas, deveriam ser infinitamente finos, mas estendidos por distâncias cósmicas. Os cientistas prevêem que as cordas cósmicas, se existirem, podem se dobrar acidentalmente; se a corda se curvar, causará uma onda gravitacional que detectores como o LIGO ou o Virgo podem medir.
As estrelas de nêutrons podem ser irregulares?
Estrelas de nêutrons são os restos de grandes estrelas que entraram em colapso com seu próprio peso e se tornaram tão densas que elétrons e prótons começaram a derreter em nêutrons. Os cientistas têm pouco conhecimento da física dos buracos de nêutrons, mas as ondas gravitacionais podem dizer muito sobre eles. Por exemplo, a intensa gravidade em sua superfície faz com que as estrelas de nêutrons se tornem quase perfeitamente esféricas. Mas alguns cientistas sugeriram que eles também podem ter “montanhas” - alguns milímetros de altura - que tornam esses objetos densos, com 10 quilômetros de diâmetro, não mais, ligeiramente assimétricos. As estrelas de nêutrons tendem a girar muito rapidamente, então uma distribuição de massa assimétrica distorce o espaço-tempo e produz um sinal de onda gravitacional senoidal constante, diminuindo a rotação da estrela e irradiando energia.
Pares de estrelas de nêutrons que giram em torno uma da outra também produzem um sinal constante. Como os buracos negros, essas estrelas espiralam e eventualmente se fundem em um som distinto. Mas sua especificidade difere da especificidade do som dos buracos negros.
Por que as estrelas explodem?
Buracos negros e estrelas de nêutrons se formam quando estrelas massivas param de brilhar e colapsam em si mesmas. Os astrofísicos acreditam que esse processo está no cerne de todos os tipos comuns de explosões de supernovas do Tipo II. Simulações de tais supernovas ainda não mostraram por que elas se acendem, mas ouvir as ondas gravitacionais emitidas por uma supernova real pode fornecer uma resposta. Dependendo da aparência das ondas de estouro, do volume delas, da frequência com que ocorrem e de como elas se correlacionam com supernovas rastreadas por telescópios eletromagnéticos, esses dados podem ajudar a descartar vários modelos existentes.
Quão rápido está se expandindo o universo?
A expansão do universo significa que objetos distantes que se afastam de nossa galáxia parecem mais vermelhos do que realmente são, pois a luz que eles emitem se estende à medida que se movem. Os cosmologistas estimam a taxa de expansão do universo comparando o desvio para o vermelho das galáxias com a distância que estão de nós. Mas essa distância geralmente é estimada a partir do brilho das supernovas do Tipo Ia, e essa técnica deixa muitas incertezas.
Se vários detectores de ondas gravitacionais ao redor do mundo detectarem sinais da fusão das mesmas estrelas de nêutrons, juntos eles podem estimar com absoluta precisão a intensidade do sinal, bem como a distância em que a fusão ocorreu. Eles também poderão avaliar a direção e, com isso, identificar a galáxia em que ocorreu o evento. Ao comparar o desvio para o vermelho desta galáxia com a distância até as estrelas em fusão, uma taxa independente de expansão cósmica pode ser obtida, possivelmente mais precisa do que os métodos atuais permitem.
