Oscilações no espaço-tempo foram descobertas um século depois de serem previstas por Einstein. Uma nova era na astronomia começa.
Os cientistas foram capazes de detectar flutuações no espaço-tempo causadas pela fusão de buracos negros. Isso aconteceu cem anos depois que Albert Einstein previu essas "ondas gravitacionais" em sua teoria geral da relatividade, e cem anos depois que os físicos começaram a procurá-las.
Esta descoberta foi relatada hoje por pesquisadores do Observatório de Ondas Gravitacionais Interferométricas a Laser LIGO. Eles confirmaram os rumores que cercaram a análise do primeiro conjunto de dados que coletaram por meses. Os astrofísicos afirmam que a descoberta das ondas gravitacionais permite um novo olhar para o universo e torna possível reconhecer eventos distantes que não podem ser vistos com telescópios ópticos, mas dá para sentir e até ouvir seus leves tremores chegando até nós pelo espaço.
“Detectamos ondas gravitacionais. Conseguimos! anunciou David Reitze, diretor executivo da equipe de pesquisa de 1.000 membros, falando hoje em uma conferência de imprensa em Washington na National Science Foundation.
As ondas gravitacionais são talvez o fenômeno mais elusivo das previsões de Einstein; o cientista discutiu esse assunto com seus contemporâneos por décadas. De acordo com sua teoria, o espaço e o tempo formam a matéria extensível, que se curva sob a influência de objetos pesados. Sentir a gravidade significa entrar nas curvas desta matéria. Mas pode este espaço-tempo tremer como a pele de um tambor? Einstein estava confuso, ele não sabia o que significavam suas equações. E ele mudou repetidamente de ponto de vista. Mas mesmo os mais ferrenhos defensores de sua teoria acreditavam que as ondas gravitacionais eram muito fracas para serem observadas de qualquer maneira. Eles se propagam em cascata após certos cataclismos e, à medida que se movem, alternadamente se estendem e contraem o espaço-tempo. Mas quando essas ondas alcançam a Terra,eles se estendem e comprimem cada quilômetro de espaço por uma pequena fração do diâmetro de um núcleo atômico.
Detector observatório LIGO em Hanford, Washington
Foto: REUTERS, Hangout
Vídeo promocional:
Foi preciso paciência e cautela para detectar essas ondas. O observatório LIGO lançou feixes de laser para frente e para trás ao longo de curvas de quatro quilômetros em ângulo reto de dois detectores, um em Hanford, Washington, e outro em Livingston, Louisiana. Isso foi feito em busca de expansões e contrações coincidentes desses sistemas durante a passagem das ondas gravitacionais. Usando estabilizadores de última geração, instrumentos de vácuo e milhares de sensores, os cientistas mediram as mudanças no comprimento desses sistemas, totalizando apenas um milésimo do tamanho de um próton. Essa sensibilidade dos instrumentos era impensável cem anos atrás. Também parecia incrível em 1968, quando Rainer Weiss, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, concebeu um experimento chamado LIGO.
“É um grande milagre que no final eles tenham conseguido. Eles foram capazes de detectar essas pequenas vibrações! - disse o físico teórico da Universidade de Arkansas, Daniel Kennefick, que escreveu em 2007 o livro Viajando na Velocidade do Pensamento: Einstein e a Busca das Ondas Gravitacionais.
Esta descoberta marcou o início de uma nova era na astronomia das ondas gravitacionais. Esperamos ter ideias mais precisas sobre a formação, composição e papel galáctico dos buracos negros - essas bolas de massa superdensa que distorcem o espaço-tempo de forma tão dramática que nem mesmo a luz pode escapar de lá. Quando os buracos negros se aproximam e se fundem, eles geram um sinal de impulso - oscilações de espaço-tempo que aumentam em amplitude e tom, e depois terminam abruptamente. Os sinais que podem ser gravados pelo observatório estão na faixa de áudio - no entanto, eles são muito fracos para serem ouvidos a olho nu. Você pode recriar esse som passando os dedos pelas teclas do piano. “Comece na nota mais baixa e vá até a terceira oitava”, disse Weiss. "Isso é o que ouvimos."
Os físicos já estão surpresos com a quantidade e a força dos sinais que foram gravados no momento. Isso significa que existem mais buracos negros no mundo do que se pensava. “Temos sorte, mas sempre contei com essa sorte”, disse o astrofísico do Caltech Kip Thorne, que criou o LIGO com Weiss e Ronald Drever, que também são do Caltech. "Isso geralmente acontece quando uma nova janela se abre no universo."
Tendo escutado as ondas gravitacionais, podemos formar ideias completamente diferentes sobre o espaço e talvez descobriremos fenômenos cósmicos inimagináveis.
“Posso comparar isso com o momento em que apontamos um telescópio para o céu pela primeira vez”, disse a astrofísica teórica Janna Levin, do Barnard College, da Columbia University. "As pessoas perceberam que havia algo ali, e você pode ver, mas não conseguiram prever o incrível conjunto de possibilidades que existem no universo." Da mesma forma, observou Levin, a descoberta de ondas gravitacionais poderia mostrar que o universo está "cheio de matéria escura que não podemos detectar apenas com um telescópio".
A história da descoberta da primeira onda gravitacional começou na manhã de segunda-feira de setembro, e começou com uma palmada. O sinal era tão claro e alto que Weiss pensou: "Não, isso é um disparate, não vai sair nada."
Intensidade de emoções
Esta primeira onda gravitacional varreu os detectores do LIGO atualizados - primeiro em Livingston e sete milissegundos depois em Hanford - durante uma simulação de corrida no início da manhã de 14 de setembro, dois dias antes do início oficial da coleta de dados.
Os detectores foram “executados” após uma atualização de cinco anos que custou US $ 200 milhões. Eles são equipados com novos espelhos para cancelamento de ruído e um sistema de feedback ativo para suprimir vibrações estranhas em tempo real. A atualização deu ao observatório atualizado um nível de sensibilidade mais alto do que o antigo LIGO, que encontrou “zero absoluto e puro”, como disse Weiss, entre 2002 e 2010.
Quando o sinal forte veio em setembro, cientistas da Europa, onde era manhã naquele momento, começaram a bombardear apressadamente seus colegas americanos com e-mails. Quando o resto do grupo acordou, a notícia se espalhou muito rapidamente. Quase todos estavam céticos sobre isso, disse Weiss, especialmente quando viram o sinal. Era um verdadeiro clássico, então algumas pessoas pensaram que era uma farsa.
Os equívocos na busca por ondas gravitacionais se repetiram muitas vezes desde o final dos anos 1960, quando Joseph Weber, da Universidade de Maryland, acreditava ter encontrado vibrações ressonantes em um cilindro de alumínio com sensores em resposta às ondas. Em 2014, ocorreu um experimento denominado BICEP2, de acordo com os resultados do qual foi anunciado que as ondas gravitacionais originais foram detectadas - as oscilações espaço-temporais do Big Bang, que agora se alongaram e congelaram permanentemente na geometria do universo. Cientistas da equipe BICEP2 anunciaram sua descoberta com grande alarde, mas então seus resultados foram verificados de forma independente, durante a qual se descobriu que eles estavam errados e que o sinal vinha da poeira cósmica.
Quando o cosmólogo Lawrence Krauss da Arizona State University ouviu sobre a descoberta da equipe LIGO, ele primeiro pensou que era uma "coisa cega". Durante a operação do antigo observatório, sinais simulados foram sub-repticiamente inseridos em fluxos de dados para verificar a resposta, e a maioria da equipe não sabia sobre isso. Quando Krauss soube de uma fonte bem informada que desta vez não era "recheio cego", ele mal pôde conter sua empolgação alegre.
Em 25 de setembro, ele tuitou para seus 200.000 seguidores: “Rumores de uma onda gravitacional detectada no detector LIGO. Incrível se for verdade. Vou te dar os detalhes, se não for uma tília. " Isso é seguido por uma entrada de 11 de janeiro: “Rumores anteriores sobre o LIGO foram confirmados por fontes independentes. Acompanhe as novidades. Talvez ondas gravitacionais sejam descobertas!"
A posição oficial dos cientistas era a seguinte: não se detenha no sinal recebido até que haja cem por cento de certeza. Thorne, com as mãos e os pés amarrados por esse compromisso com o segredo, nem mesmo disse nada à esposa. “Eu comemorei sozinho”, disse ele. Para começar, os cientistas decidiram voltar ao início e analisar tudo nos mínimos detalhes, a fim de descobrir como o sinal se propagou através dos milhares de canais de medição de vários detectores e para entender se havia algo estranho no momento em que o sinal foi detectado. Eles não encontraram nada fora do comum. Eles também eliminaram os hackers que deveriam saber melhor sobre os milhares de fluxos de dados no experimento. “Mesmo quando a equipe participa, eles não são perfeitos o suficiente e deixam muitas pegadas em seu rastro”, disse Thorne. "E não havia rastros aqui."
Nas semanas seguintes, eles ouviram outro sinal, mais fraco.
Os cientistas analisaram os dois primeiros sinais e receberam cada vez mais. Em janeiro, eles apresentaram seus trabalhos de pesquisa na Physical Review Letters. Esse problema está na Internet hoje. De acordo com suas estimativas, a significância estatística do primeiro e mais poderoso sinal excede o "5-sigma", o que significa que os pesquisadores estão 99,9999% confiantes em sua autenticidade.
Ouvindo a gravidade
As equações da relatividade geral de Einstein são tão complexas que a maioria dos físicos levou 40 anos para concordar: sim, as ondas gravitacionais existem e podem ser detectadas - mesmo teoricamente.
No início, Einstein pensava que os objetos não podiam liberar energia na forma de radiação gravitacional, mas depois mudou de ponto de vista. Em seu trabalho histórico, escrito em 1918, ele mostrou que objetos podem fazer isso: sistemas em forma de halter que giram simultaneamente em torno de dois eixos, por exemplo, binários e supernovas que explodem como fogos de artifício. São eles que podem gerar ondas no espaço-tempo.
Modelo de computador ilustrando a natureza das ondas gravitacionais no sistema solar
Foto: REUTERS, folheto
Mas Einstein e seus colegas continuaram a hesitar. Alguns físicos argumentaram que mesmo que as ondas existam, o mundo vibrará com elas e será impossível senti-las. Foi apenas em 1957 que Richard Feynman encerrou a questão, demonstrando em um experimento mental que, se as ondas gravitacionais existem, teoricamente elas podem ser detectadas. Mas ninguém sabia quão comuns esses sistemas de halteres eram no espaço sideral, ou quão fortes ou fracas eram as ondas resultantes. “No final das contas, a questão era: podemos encontrá-los?” Kennefick disse.
Em 1968, Rainer Weiss era um jovem professor no Instituto de Tecnologia de Massachusetts e foi designado para ministrar um curso de relatividade geral. Como experimentador, ele sabia pouco sobre isso, mas de repente houve notícias da descoberta de Weber das ondas gravitacionais. Weber construiu três detectores de ressonância do tamanho de uma mesa de alumínio e os colocou em diferentes estados americanos. Agora ele disse que todos os três detectores gravaram "o som das ondas gravitacionais".
Os alunos de Weiss foram convidados a explicar a natureza das ondas gravitacionais e expressar sua opinião sobre a mensagem transmitida. Estudando os detalhes, ele ficou surpreso com a complexidade dos cálculos matemáticos. “Eu não conseguia descobrir o que diabos Weber estava fazendo, como os sensores interagem com a onda gravitacional. Sentei-me por um longo tempo e me perguntei: “Qual é a coisa mais primitiva que posso pensar para detectar ondas gravitacionais?” E então uma ideia me veio à mente, que chamo de base conceitual do LIGO.
Imagine três objetos no espaço-tempo, digamos, espelhos nos cantos de um triângulo. “Envie um sinal luminoso de um para o outro”, disse Weber. "Veja quanto tempo leva para passar de uma massa para outra e verifique se o tempo mudou." Acontece, observou o cientista, que isso pode ser feito rapidamente. “Eu confiei isso aos meus alunos como um trabalho científico. Literalmente, todo o grupo foi capaz de fazer esses cálculos."
Nos anos seguintes, quando outros pesquisadores tentaram repetir os resultados do experimento de Weber com um detector ressonante, mas falharam constantemente (não está claro o que ele observou, mas essas não eram ondas gravitacionais), Weiss começou a preparar um experimento muito mais preciso e ambicioso: o interferômetro de ondas gravitacionais. O feixe de laser é refletido em três espelhos em forma de L para formar dois feixes. O espaçamento dos picos e depressões das ondas de luz indica com precisão o comprimento dos joelhos “G” que criam os eixos X e Y do espaço-tempo. Quando a escala está estacionária, as duas ondas de luz refletem nos cantos e se cancelam. O sinal no detector é zero. Mas se uma onda gravitacional atravessa a Terra, ela estica o comprimento de um braço da letra "G" e comprime o comprimento do outro (e vice-versa). A incompatibilidade dos dois feixes de luz cria um sinal no detector, mostrando leves flutuações no espaço-tempo.
A princípio, os colegas físicos ficaram céticos, mas logo o experimento encontrou apoio na pessoa de Thorne, cujo grupo de teóricos do Caltech investigou buracos negros e outras fontes potenciais de ondas gravitacionais, bem como os sinais que eles geram. Thorne foi inspirado pelo experimento de Weber e esforços semelhantes de cientistas russos. Depois de falar em 1975 em uma conferência com Weiss, “comecei a acreditar que a detecção de ondas gravitacionais seria bem-sucedida”, disse Thorne. "E eu queria que o Caltech estivesse envolvido nisso também." Ele combinou com o instituto o recrutamento do experimentador escocês Ronald Driever, que também disse que construiria um interferômetro de ondas gravitacionais. Com o tempo, Thorne, Driver e Weiss começaram a trabalhar em equipe, cada um resolvendo sua própria cota de problemas incontáveis em preparação para um experimento prático. O trio formou o LIGO em 1984 e, quando os protótipos foram construídos e uma equipe crescente começou a colaborar, eles receberam US $ 100 milhões em financiamento da National Science Foundation no início dos anos 1990. Projetos foram elaborados para a construção de um par de detectores em forma de L gigantes. Uma década depois, os detectores começaram a funcionar.
Em Hanford e Livingston, no centro de cada uma das curvas de quatro quilômetros dos detectores existe um vácuo, graças ao qual o laser, seu feixe e espelhos são isolados ao máximo das constantes vibrações do planeta. Para garantir ainda mais, os cientistas do LIGO monitoram seus detectores enquanto trabalham com milhares de instrumentos, medindo tudo o que podem: atividade sísmica, pressão atmosférica, relâmpagos, raios cósmicos, vibração de equipamentos, sons na área de um feixe de laser e assim por diante. Eles então filtram esse ruído de fundo indesejado de seus dados. Talvez o principal seja que eles possuem dois detectores, e isso permite comparar os dados recebidos, verificando a presença de sinais coincidentes.
Dentro do vácuo criado, mesmo quando os lasers e espelhos estão completamente isolados e estabilizados, “coisas estranhas acontecem o tempo todo”, diz Marco Cavaglià, porta-voz adjunto do projeto LIGO. Os cientistas devem rastrear esses "peixinhos dourados", "fantasmas", "monstros marinhos incompreensíveis" e outros fenômenos vibracionais estranhos, descobrindo sua origem a fim de eliminá-los. Um caso difícil ocorreu durante a fase de validação, disse Jessica McIver, uma cientista pesquisadora da equipe do LIGO, que estuda esses sinais e interferências estranhas. Uma série de ruídos periódicos de frequência única freqüentemente aparecia nos dados. Quando ela e seus colegas converteram as vibrações dos espelhos em arquivos de áudio, “o telefone estava tocando distintamente”, disse McIver. “Aconteceuque eram os anunciantes de comunicações que estavam ligando dentro da sala de laser."
Nos próximos dois anos, os cientistas continuarão a melhorar a sensibilidade dos detectores do Observatório de Ondas Gravitacionais de Laser Interferométrico, LIGO. E na Itália, um terceiro interferômetro, denominado Advanced Virgo, começará a funcionar. Uma resposta que os dados obtidos ajudarão a dar é como os buracos negros são formados. Eles são o produto do colapso das primeiras estrelas massivas, ou são o resultado de colisões dentro de densos aglomerados de estrelas? “Essas são apenas duas suposições, suponho que haverá mais quando todos se acalmarem”, diz Weiss. À medida que o LIGO começa a acumular novas estatísticas no decorrer de seu próximo trabalho, os cientistas começarão a ouvir histórias sobre a origem dos buracos negros que o espaço irá sussurrar para eles.
Em forma e tamanho, o primeiro sinal pulsado mais alto se originou 1,3 bilhão de anos-luz de onde, após uma eternidade de dança lenta, sob a influência da atração gravitacional mútua, dois buracos negros, cada um com cerca de 30 vezes a massa do sol, finalmente se fundiram. Os buracos negros circulavam cada vez mais rápido, como um redemoinho, aproximando-se gradualmente. Então houve uma fusão e, em um piscar de olhos, eles liberaram ondas gravitacionais com uma energia comparável à de três sóis. Esta fusão se tornou o fenômeno energético mais poderoso já registrado.
“É como se nunca tivéssemos visto o oceano durante uma tempestade”, disse Thorne. Ele está esperando por essa tempestade no espaço-tempo desde 1960. A sensação que Thorne experimentou enquanto as ondas rolavam não era exatamente empolgante, diz ele. Era outra coisa: um sentimento de profunda satisfação.
