Pela primeira vez os cientistas conseguiram observar as ondulações na tessitura do espaço-tempo, chamadas de ondas gravitacionais, vindas de um evento cataclísmico no universo distante. Isto confirma uma predição importante da Teoria Geral da Relatividade, feita por Albert Einstein em 1915, e abre uma nova janela sem precedentes para o cosmos.
As ondas gravitacionais portam informações acerca de suas origens dramáticas e sobre a natureza da gravidade que não podem ser obtidas de outra maneira. Os físicos concluíram que as ondas gravitacionais detectadas foram produzidas na fração de segundo final da fusão de dois buracos negros que resultaram em um só buraco negro giratório mais massivo. Uma tal colisão de dois buracos negros já tinha sido prevista, mas jamais tinha sido observada.
As ondas gravitacionais foram detectads em 14 de setembro de 2015 às 09:15 (horá UTC) por ambos os detectores gêmeos do Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), localizados em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington. Os observatórios LIGO são financiados pela National Science Foundation (NSF), e foram projetados, construídos e operados pelos California Institute of Technology (Caltech) e Massachusetts Institute of Technology (MIT). A descoberta, aceita para publicação por Physical Review Letters, foi feita pela LIGO Scientific Collaboration (que inclui a GEO Collaboration e o Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) e a Virgo Collaboration com dados colhidos pelos detectores LIGO.
Com base nos sinais observados, os cientistas do LIGO estimam que os buracos negros que criaram este evento ttinham massas entre 29 a 36 massas solares e que o evento aconteceu há 1,3 bilhões de anos. Cerca de três massas solares foram convertidas em ondas gravitacionais em uma fração de segundo – com um pico de emissão de cerca de 50 vezes todo o universo visível. Pelo tempo de chegada dos sinais – o detector em Livingston regsitrou o evento 7 milissegundos antes do detector em Hanford – os cientistas podem afirmar que a fonte está localizada no Hemisfério Sul.
De acordo com a Relatiividade Geral, um par de buracos negros que orbitem um em torno do outro, perdem energia através da emissão de ondas gravitacionais, fazendo com que eles gradualmente se aproximem, ao longo de bilhões de anos e muito mais rápido nos minutos finais. Durante a fração de segundo final, os buracos negros colidem a cerca de metade da velocidade da luz e acabam formando um único buraco negro mais massivo, convertendo parte da massa combinada dos buracos negros em energia, conforme a famosa fórmula de Einstein E=mc2. Essa energia é emitida como um forte jato de ondas gravitacionais. E foram essas ondas gravitacionais que o LIGO observou.
A existência de ondas gravitacionais foi inicialmente demonstrada nas décadas de 1970 e 1980 por Joseph Taylor, Jr., e colegas. Em 1974, Taylor e Russell Hulse descobriram um sistema binário composto por um pulsar orbitando uma estrela de nêutrons. Taylor e Joel M. Weisberg descobriram em 1982 que a órbita do pulsar estava lentamente ficando mais apertada por causa da energia emitida na forma de ondas gravitacionais. Pela descoberta do pulsar e por demonstrar que isto tornaria possivel medir estas ondas gravitacionais, Hulse e Taylor ganharam o Prêmio Nobel de Física de 1993.
A nova descoberta do LIGO é a primeira observação das próprias ondas gravitacionais, feita através da medição das pequeninas perturbações que as ondas causam no espaço-tempo ao passarem pela Terra.
“Nossa observação de ondas gravitacionais atinge uma ambiciosa meta estabelecida há cinco anos de observar diretamente esse fenômeno elusivo e compreender melhor o universo, e, adequadamente, complementar o legado de Einstein no centésimo aniversário de sua Teoria da Relatividade Geral”, declarou David H. Reitze, do Caltech, diretor executivo do Laboratório LIGO.
A descoberta foi tornada possível pelo aumento das capacidades do Advanced LIGO, um melhoramento importante na sensibilidade dos instrumentos, em comparação com a primeira geração dos detectores LIGO, o que permitiu um aumento significativo do volume de universo sondado – e a descoberta das ondas gravitacionais durante seu primeiro turno de observação. A NSF é a principal financiadora do LIGO, auxiliada por organizações como, na Alemanha, a Max Planck Society, no Reino Unido, Science and Technology Facilities Council, STFC e na Australia, Australian Research Council.
Várias das tecologias chave que tornaram o Advanced LIGO muito mais sensível foram desenvolvidas e testadas pela Colaboração Angl-Germânica GEO. Recursos de computação significativos tiveram a contribuição do AEI Hannover Atlas Cluster, do LIGO Laboratory, Syracuse University e da University of Wisconsin-Milwaukee. Várias universidades projetaram, construíram e testaram peças chave para o Advanced LIGO: A Australian National University, a University of Adelaide, a University of Florida, Stanford University, Columbia University of the City of New York ae Louisiana State University.
“Em 1992, quando o financiamento inicial para o LIGO foi aprovado, foi o maior investimento até então fetio pela NSF”, lembra France Córdova, diretor da NSF. “Foi um grande risco. Mas a NSF é a agência que toma esse tipo de risco. Nós apoiamos a ciência e a engenharia fundamentais em um ponto do caminho cujo destino é totalmente incerto. Nós financiamos os abridores de trilhas. É por isso que os EUA continuam sendo um líder global no avanço do conhecimento”.
A pesquisa LIGO é realizada pela LIGO Scientific Collaboration (LSC), um grupo de mais de 1000 cientistas de universidades de todos os EUA e maisoutros 14 países. Mais de 90 universidades e institutos de pesquisas na LSC desenvolvem tecnologias de detectores e analisam dados; aproximadamente 250 estudantes são colaboradores ativos da LSC. A rede de detectores da LSC inclui os interferômetros LIGO e o detector GEO600. A equipe GEO inclui cientistas do Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI), Leibniz Universitat Hannover, juntamente com parceiros da University of Glasgow, Cardiff University, University of Birmingham, outras universidades no Reino Unido e a Universidade das Ilhas Baleares na Espanha.
“Esta detecção é o iníicio de uma nova era: o campo de astronomia de ondas gravitacionais é agora uma realidade”, declara Gabriela Gonzalez, porta-voz da LSC e professora de física e astronomia na Louisiana State University.
O LIGO foi proposto incialmente como um meio para detectar ondas gravitacionais na década de 1980 por Rainer Weiss, professor emérito de física do MIT; Kip Thorne, Professor Emérito “Richard P. Feynman” de Física Teórica do Caltech, e Ronald Drever, professor emérito de física, também do Caltech.
“A descrição desta observaçãoé lindamente exposta na Teoria da Relatividade Geral de Einstein, formulada há 100 anos e compreende o primeiro experimento da teoria em gravidade forte. Teria sido maravilhoso se pudéssemos ver a cara que Einstein faria, se houvesse um meio de contar para ele”, diz Weiss.
“Com esta descoberta, nós, humanos, estamos embarcando em uma maravilhosa nova busca: a busca pelo lado enrugado do universo – objetos e fenômenos feitos de espaço-tempo enrugado. Buracos negros em colisão e ondas gravitacionais são os primeiros belos exemplos disto”, diz Thorne.
A pesquisa Virgo é realizada pela Colaboração Virgo, que consiste em mais de 250 físicos e engenheiros que pertencem a 19 diferentes grupos de pesquisa europeus: seis do Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) na França; oito do Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) na Itália; dois na Holanda no Nikhef; o Wigner RCP na Hungria; o grupo POLGRAW na Polônia; e o European Gravitational Observatory (EGO), o laboratório onde fica o detector Virgo próximo de Pisa, Itália.
Fulvio Ricci, porta-voz do Virgo, observa que: “Isto é um marco significativo para a física, mas, mais importante, é apenas o começo de muitas e entusiasmantes descobertas astrofísicas que vão vir de LIGO e Virgo.”
Bruce Allen, diretor gerente do Max Planck Institute for Gravitational Physics acrescenta: “Einstein pensava que as ondas gravitacionais eram fracas demais para serem detectadas e não acreditava em buracos negros. Mas eu penso que ele não se importaria de terem provado que ele estava errado!”
“Os detectores do Advanced LIGO são um tour de force da ciência e da tecnologia, tornados possíveis por uma equipe internacional de técnicos, engenheiros e cientistas realmente notáveis”, diz David Shoemaker do MIT, líder do projeto Advanced LIGO. “Nós nos orgulhamos de ter completado este projeto da NSF dentro do prazo e do orçamento”.
Em cada um dos observatórios, o interferômetro em forma de L com 4 km usa dois feixes de laser que vão e voltam pelos braços (tubos de 1,20m mantidos em vácuo quase perfeito). Os feixes servem para moniyorar a distância entre espelhos precisamente posicionados nas extremidades dos braços. De acordo com Einstein, a distância entre os espelhos sofreria uma mudança infinitesimal quando uma onda gravitacional passasse pelo detector. Uma mudança no comprimento dos braços menor do que um décimo-milionésimo do diâmetro de um próton pode ser detectada.
“Para tornar esse fantástico marco possível, foi necessária uma colaboração global de cientistas – tecnologia de laser e suspensão desenvolvida para nosso detector GEO600 foi usada para ajudar a tornar o Advanced LIGO o detector de ondas gravitacionais mais sofisticado jamais criado”, diz Sheila Rowan, professora de física e astronomia na University of Glasgow.
Para detectar a direção do evento causador das ondas gravitacionais, são necessários observatórios bem distantes entre si, assim como para verificar que os sinais vêm mesmo do espaço e não de outro fenômeno local.
Para conseguirt isto, o laboratório LIGO trabalha em parceria com cientistas na ìndia no Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics, o Raja Ramanna Centre for Advanced Technology e o Institute for Plasma para estabelecer um terceiro detector Advanced LIGO no subcontinente indiano. ainda esperando aprovação do governo indiano, ele pode se tornar operacional no início da próxima década. O detector adiconal vai uamentar muti a capacidade da rede gloal de detectores para localizar fontes de ondas gravitacionais.
“Esperamos que esta primeira observação aceler a construção de uma rede global de detectores para determinar com precisão a localização das fontes em uma era de astronomia multi-mensageiros”, diz David McClelland, professor de física e diretor do Centre for Gravitational Physics da Australian National University.
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Imagens, vídeo e áudio (em inglês): https://mediaassets.caltech.edu/gwave
Histórico: https://youtu.be/MaAv2IVzqhM
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