Como os cientistas detectaram as primeiras ondas gravitacionais?

Para detectar as ondas gravitacionais diretamente pela primeira vez os cientistas tiveram que medir uma mudança de distância mil vezes menor que a largura de um próton.

Um técnico trabalhando em algumas das lentes óticas do LIGO.

Pesquisadores do Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) anunciaram em 2016 que fizeram a primeira detecção direta da história de ondas gravitacionais, ondulações enigmáticas no espaço-tempo cuja existência foi prevista pela primeira vez há 100 anos pela famosa teoria da relatividade geral de Albert Einstein. Mas como foi esse processo?

As ondas gravitacionais foram geradas pela fusão de dois buracos negros de tamanho médio há cerca de 1,3 bilhão de anos. Essas ondas correram pelo espaço à velocidade da luz e encontraram a Terra, onde foram capturadas pelos dois enormes detectores do LIGO como um breve sinal em 14 de setembro de 2015.

Detectores supersensíveis

Os detectores LIGO estão em Livingston, Louisiana, e Hanford, em Washington. Cada um consiste em uma gigantesca estrutura em forma de L com braços de 4 quilômetros de comprimento. Um feixe de laser brilha em cada braço do ponto cruzado do “L” e espelhos nas extremidades desses braços refletem a luz de volta.

Se os feixes de ambos os braços retornarem ao ponto crucial ao mesmo tempo, eles cancelam um ao outro e nenhum sinal é produzido no detector de luz do sistema. Esse é o cenário normal e esperado. Mas se um dos feixes chega um pouco tarde, um sinal é produzido, o que consta como possível evidência de uma onda gravitacional. Ondas gravitacionais, afinal, distorcem o tecido do espaço-tempo. Então se um feixe chegar atrasado em relação a outro… pronto!

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Veja a distância dos “braços” do LIGO.

Uma onda que passa através de um detector LIGO ( e “passar através” é uma descrição bastante apropriada, porque as ondas gravitacionais não interagem significativamente com a matéria) esticará o espaço-tempo ligeiramente ao longo de um braço do “L”, enquanto comprimirá o mesmo tempo ao longo do outro braço.

A expressão “muito suavemente” não capta totalmente o quão minúscula é essa mudança de distância ao longo dos “L’s”. O efeito observado pelo LIGO neste evento de setembro foi de um milionésimo de um milionésimo de um milionésimo de metro – cerca de um milésimo do diâmetro de um próton, de acordo com os membros da equipe do projeto.

Para colocar esse tipo de sensibilidade em uma perspectiva ainda melhor, a tecnologia LIGO é teoricamente capaz de medir a distância do sol até a estrela mais próxima Proxima Centauri (que fica a cerca de 4.25 anos-luz de distância), até o nível da largura de um cabelo humano. Palavras do próprio David Reitze, do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), diretor executivo do Laboratório LIGO. “O LIGO é o dispositivo de medição mais preciso já construído”, ele acrescenta.

Alcançar esse nível de sensibilidade não é fácil. Por exemplo, os feixes de laser do LIGO viajam pelos braços dos detectores em um vácuo quase perfeito. E os espelhos refletores de luz do sistema estão pendurados em pêndulos em uma sofisticada configuração de suspensão quádrupla, para isolá-los dos movimentos diários e empurrões comuns da superfície da Terra.

Além disso, a detecção inovadora não teria sido possível sem uma revisão significativa dos detectores LIGO, que primeiro caçaram por ondas gravitacionais entre 2002 e 2010. O projeto, em seguida, teve um hiato de cinco anos onde permaneceu em observação, quando os membros da equipe redesenharam e atualizaram o sistema com instrumentos para obter um novo “LIGO Avançado” instalado e funcionando.

O LIGO Avançado apresenta uma sensibilidade 10 vezes maior do que o projeto original. A nova versão começou sua primeira campanha de observação oficial em setembro de 2015 – alguns dias após essa detecção histórica que falamos, que foi feita durante um dos testes de engenharia.

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O fato do LIGO Avançado ter feito uma detecção logo após ter sido ligado novamente já sugeria que o sistema continuaria detectando mais ondas gravitacionais no futuro. E foi isso mesmo que aconteceu: As últimas notícias do LIGO são de dezembro de 2018, com mais 4 ondas detectadas.

“Devemos ver um pouco mais no próximo ano”, havia dito o co-fundador do projeto, Kip Thorne, também da Caltech. Sucesso esperado, não é mesmo?

O sinal de 14 de setembro foi detectado por ambos os detectores LIGO, separados por cerca de 7 milissegundos. Esta dupla detecção deu aos membros da equipe a confiança de que eles haviam capturado um evento astrofísico real, em vez de algo produzido pelas condições ambientais locais.

Mas eles ainda se esforçaram muito para descartar explicações alternativas, analisando uma variedade de dados dos detectores e também a saída de numerosos instrumentos no local que mediam a atividade sísmica, interferência de rádio e muitas outras possíveis fontes do “ruído” que poderia imitar uma onda gravitacional.

“Levou muito tempo para obter esse resultado, e isso é parte do motivo”, disse o co-fundador do projeto LIGO, Rainer Weiss, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).

O sinal também estava de acordo com o previsto pelos modelos do supercomputador de fusões de buracos negros, disse a porta-voz da LIGO Scientific Collaboration, Gabriela Gonzalez, professora de física e astronomia da Louisiana State University.

Detalhes do sinal captado permitiram que a equipe do LIGO estimasse as massas dos dois buracos negros que se fundiam – 29 e 36 massas solares, respectivamente. O único buraco negro que resultou desta fusão continha apenas 62 vezes a massa do sol.

“Isso porque havia três massas solares emitidas em energia, em ondas gravitacionais. Isso é uma enorme quantidade de energia”, disse Gonzalez. “E podemos dizer tudo isso a partir desta pequena fração de segundo na forma de onda.”

Outros detalhes incorporados no sinal revelaram que a fonte de ondas estava a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz da Terra. O intervalo de tempo entre os sinais registrados em Louisiana e Washington forneceu mais informações, permitindo que a equipe do LIGO triangulasse a localização dessa fonte até certo ponto.

“Podemos dizer que veio do céu do sul (southern sky), na direção das nuvens de Magalhães”, disse Gonzalez na época.

O projeto LIGO é operado por cientistas da Caltech e do MIT, e financiado pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA.

Fonte: Space

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