Há dez anos, a humanidade deu um grande passo na compreensão do Universo com a detecção do primeiro ondas gravitacionais. Este fenômeno foi previsto pela teoria da relatividade geral de Albert. Einsteinformulado em 1915.
Esta teoria previa perturbações na estrutura do espaço-tempo, causadas por eventos astrofísicos gerados por estrelas compactas, como a colisão de buracos negros ouestrelas de nêutrons. Einstein teorizou que esses eventos devem gerar ondas que se propagam até o velocidade da luzcriando variações mínimas no campo gravitacional.
Uma nova janela para o Universo
A primeira detecção direta de ondas gravitacionais ocorreu em 2015 graças ao observatório Ligo. Este evento não só confirmou uma das grandes previsões do relatividade geralmas também abriu uma nova era no campo da astronomia.
Em 14 de setembro de 2015, pesquisadores da colaboração Ligo-Virgo registraram um sinal da coalescência de dois buracos negros, cada um com aproximadamente trinta vezes o tamanho massa de sol. Esse sinal representou não apenas a primeira detecção direta de ondas gravitacionais, mas também a primeira confirmação da existência de buracos negros por detecção “direta”. Por outro lado, esta é sem dúvida a primeira detecção de um sistema de dois buracos negros. A forma de onda observada correspondia exatamente ao que a relatividade geral prevê.
Além de ondas eletromagnéticas – por exemplo, luz visível, ondas de rádio e raios X – que permitem observar objetos cósmicos cada vez mais distantes, as ondas gravitacionais abrem um novo janela no Universo. Oferecem a possibilidade de explorar eventos extremos e mergulhar mais fundo na história do Universo, sondando objetos localizados em locais muito remotos do Universo, nas bordas de buracos negros.
A era da astronomia gravitacional
No entanto, detectar essas ondas tem sido um verdadeiro desafio. Durante o fusões buracos negros, variações na distância entre dois espelhos pode atingir a ordem de um bilionésimo de bilionésimo de metro (10⁻¹⁸ m), uma medida mil vezes menor que o tamanho de um núcleo atômico.
Para conseguir tal detecção, é essencial superar muitas fontes de ruído. Desde os primeiros detectores de ondas gravitacionais até hoje, muitas inovações foram necessárias para reduzir esse ruído ambiente e identificar sinais de ondas gravitacionais. Os avanços tecnológicos necessários para alcançar estas medidas levaram várias décadas de desenvolvimento.
Até 1950, o astrônomos até duvidou da existência físico ondas gravitacionais. Em 1960, a sua detecção foi considerada, mas os instrumentos disponíveis na época não atingiam a precisão exigida. As ondas gravitacionais agem esticando o espaço-tempo, semelhante aelasticidade de um elástico.
Para medir a passagem de uma onda gravitacional, é necessário medir a variação da distância entre massas separadas por vários quilómetros, reduzindo ao mesmo tempo as perturbações circundantes, como o ruído sísmico ou o ruído acústico. Isso exigiu avanços tecnológicos significativos, possibilitando detectar variações com incrível precisão.
Uma palavra para Matteo Barsuglia, físicodiretor de pesquisas do CNRS e especialista em ondas gravitacionais. Contribuiu durante mais de 25 anos para a detecção de ondas gravitacionais e foi gestor científico do projeto para França Virgem. Ele também é autor do livro “ O Ondas do espaço tempo », lançado recentemente em formato pocket pela Dunod.
Futura: Quais foram os principais motivos, tanto tecnológicos como científicos, que impediram a detecção de ondas gravitacionais antes de setembro de 2015?
Matteo Barsuglia: As ondas gravitacionais, embora originadas de fenômenos astrofísicos extremamente violentos, como a fusão de buracos negros ou a explosão de estrelas, manifestam-se como perturbações fracas na geometria do espaço-tempo. Na verdade, embora o espaço-tempo tenha propriedades elásticas, é extremamente rígido, o que significa que as ondas gravitacionais geradas por estes eventos são particularmente fracas. Quando os buracos negros se fundem, por exemplo, eles causam uma mudança na distância entre dois espelhos separados por três quilômetros da ordem de um bilionésimo de bilionésimo de metro (10⁻¹⁸ m), ou mil vezes menor que o tamanho de um núcleo atômico. Esta variação infinitesimal é mascarada por uma infinidade de fontes de ruído ambiente.
Assim, desde a concepção dos primeiros detectores de ondas gravitacionais até à sua detecção bem sucedida, foram necessários meio século de melhorias tecnológicas para minimizar este ruído ambiental e tornar possível a captura de sinais de ondas gravitacionais.
Futura: Que perguntas foram respondidas pela confirmação da existência de ondas gravitacionais?
Matteo Barsuglia : A detecção de ondas gravitacionais não só confirmou a relatividade geral em condições onde nunca tinha sido testada, nomeadamente em campos gravitacionais extremos, mas também provou a existência de buracos negros em sistemas binários. As quase 200 detecções, realizadas até agora, mediram várias propriedades dos buracos negros, tais como as suas massas, a sua quantidade de rotação e a sua taxa de fusão, revelando buracos negros muito massivos que nunca tinham sido observados antes.
Além disso, esta detecção abriu novas perspectivas sobre a expansão do Universo, ao fornecer medições distintas daquelas obtidas por métodos baseados em ondas eletromagnéticas.
Finalmente, a observação simultânea de ondas gravitacionais e de luz em 17 de agosto de 2017 estabeleceu uma ligação entre assusta raios gama curtos e fusões de estrelas de nêutrons, bem como entre fenômenos chamados “quilonovas” e essas mesmas fusões. Isto ajudou a esclarecer a origem de certos elementos químicos pesado, como ouro.
Futura: Que novas questões surgem após a descoberta das ondas gravitacionais?
Matteo Barsuglia: A detecção de ondas gravitacionais abriu uma verdadeira “nova janela para o Universo”. Isso nos permite explorar uma ampla gama de questões em astrofísica e física fundamental. Ao contrário das ondas eletromagnéticas, as ondas gravitacionais transmitem-nos informações diferentes, mas complementares, o que enriquece a nossa compreensão do Universo.
Futura: Tecnicamente, que tipo de instrumentos seriam necessários para melhorar a detecção de ondas gravitacionais e ampliar sua frequência?
Matteo Barsuglia: Será essencial refinar os detectores existentes, como o Virgo e o Ligo, continuando a reduzir o ruído que limita a sua sensibilidade. Ao mesmo tempo, estão em curso projectos para novos detectores terrestres, que seriam mais longos e, portanto, mais sensíveis, como o projecto europeu Telescópio Einstein e o projeto americano Explorador Cósmico.
Além disso, oESA está desenvolvendo um projeto para detectar ondas gravitacionais no espaço, chamado Lisaque consiste em um trio de satélites destinados a detectar ondas gravitacionais em um banda de frequência baixo, inacessível para observatórios terrestres.
Todos esses projetos baseiam-se em uma técnica semelhante: medir a variação de distância entre massas “teste” ou livres, causada pela passagem de uma onda gravitacional, por meio de um feixe de luz. Por fim, há também iniciativas como a “cronometragem de pulsares ”, que usam uma abordagem diferente para detectar essas ondas.
Futura: Qual você acha que poderia ser a próxima “descoberta do século”?
Matteo Barsuglia: Esta é uma questão difícil, mas penso que compreender a natureza daenergia escura ou o matéria escura poderia realmente constituir tal descoberta. E poderia lançar luz sobre muitas questões fundamentais sobre a evolução do Universo.
O progresso nesta área revolucionaria a nossa compreensão da cosmologia e física em geral. E, como já mencionado, as ondas gravitacionais poderão contribuir para esta descoberta do século.
Hoje em formato de bolso, o livro “ Ondas do espaço-tempo », escrito por Matteo Barsuglia explica a história épica da detecção da primeira onda gravitacional, que nos permitirá desvendar certos mistérios do Universo, e talvez até compreender a natureza da matéria escura e da energia escura. Este livro recebeu o prêmio de livro de astronomia Ciel&Espace 2020. © editora Dunod