Desde que Einstein divulgou sua teoria geral da relatividade, há 100 anos, se buscava comprovar a existência dessas ondas
No dia 14 de setembro de 2015, pesquisadores do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser (LIGO, na sigla em inglês), nos Estados Unidos, detectaram pela primeira vez ondas gravitacionais emitidas pela fusão de dois buracos negros massivos. Meses depois, em dezembro, a equipe detectou um segundo sinal, bastante claro, de dois buracos negros se encontrando e tornando-se um só.
Após meses de estudos intensos e análise dos instrumentos nos dois laboratórios do LIGO que detectaram o fenômeno – Hanford Washington e Livingston Louisiana – os cientistas puderam concluir que os sinais recebidos vinham de buracos negros, distantes 1,4 bilhões de anos luz da Terra. A descoberta foi anunciada em fevereiro de 2016, marcando o nascimento da astrofísica das ondas gravitacionais. "Descobrir as ondas gravitacionais é como adquirir um novo sentido. Se a astronomia moderna nos ensinou sobre olhar para o universo, a astronomia das ondas gravitacionais nos ensina a ouvi-lo", descreve Michael Landry, cientista sênior do LIGO em Hanford.
Landry conta que a detecção da fusão desses buracos negros traz uma série de marcos para a astronomia: além de ser a primeira detecção de ondas gravitacionais, é a primeira vez que se observa a existência de buracos negros binários (formados pela fusão de dois buracos negros) e a primeira detecção dessa fusão. Foi também a primeira vez que se observou buracos negros estelares supermassivos, com massa mais de 20 vezes maior que o nosso sol.
Os buracos negros são formados por estrelas de grande massa que se compactam em um corpo extremamente denso com uma aceleração infinita de sua rotação. Todas as estrelas que nasceram com mais de 20 vezes a massa do sol se transformam em buraco negro.
Por conta da densidade infinita, é impossível observar um buraco negro por dentro. Nenhuma luz é emitida por eles. O único sinal que sai deles vem na forma de deformações no formato do espaço. Esse fenômeno é explicado pela teoria da relatividade geral que o físico Albert Einstein publicou em 1915, cem anos antes da detecção das ondas gravitacionais.
A teoria da relatividade geral é a generalização da teoria da relatividade especial, de 1905, que diz que o espaço e o tempo são relativos e dependem da velocidade do referencial – mas ela só se aplica a referenciais em movimento retilíneo uniforme. Dez anos depois, Einstein generalizou a teoria da relatividade para referenciais acelerados, relacionando a gravitação à geometria espaço-tempo e prevendo a existência das ondas gravitacionais.
Os estudos sobre buracos negros foram fundamentais para detectar essas ondas. As ondas gravitacionais são oscilações do espaço. Toda massa oscilante emite ondas gravitacionais – seja o movimento do nosso corpo, ou a Terra quando gira ao redor do sol. Mas os sinais são muito, muito fracos para a tecnologia de detecção que dispomos hoje. Não é à toa que os cientistas levaram um século para comprovar sua existência. O próprio Einstein nunca acreditou que as ondas gravitacionais pudessem ser detectadas, de tão ínfimo que seria seu efeito no nosso planeta.
Somente o encontro de dois buracos negros massivos é capaz produzir uma quantidade de ondas gravitacionais possível de ser detectada pelos instrumentos existentes – poucos e muito caros. "O único modo de observar esses buracos negros binários é com detectores de ondas gravitacionais. A partir da teoria da relatividade geral de Einstein, Landry explica que foi possível calcular como era a onda gravitacional formada a partir da colisão de buracos negros, de uma determinada massa, aceleração, orientação e distância da Terra.
"Nós fizemos milhares de cálculos no computador. Daí, comparamos com os dados dos interferômetros do LIGO. Com isso, comprovamos que o sinal recebido na Terra em setembro de 2015 equivale a dois buracos negros se fundindo. Buracos com massas 29 a 36 vezes a do nosso sol, distantes 1,4 bilhões de anos luz", diz. Esse encontro produziu 50 vezes mais energia do que a soma de todas as estrelas de todas as galáxias de todo o universo.
Graças à descoberta das ondas gravitacionais, num futuro próximo será possível aprender ainda mais sobre os buracos negros binários. Landry cita, por exemplo, a possibilidade de saber se eles são formados a partir de duas estrelas, ou se são capturados pelo efeito gravitacionais de uma terceira estrela. Além disso, as ondas gravitacionais emitidas pelos buracos negros podem ajudar na medição da expansão do universo.
A colisão de dois buracos negros massivos resultou na detecção de um movimento muito pequeno, cerca de 5 mil vezes menor que o diâmetro de um próton. O primeiro sinal, detectado em setembro de 2015, chegou primeiro no Observatório Livingston (Louisiana), e sete milésimos de segundos depois, foi detectado em Hanford (Washington).
O professor Odylio Aguiar, pesquisador titular do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), explica como funciona essa técnica de detecção. Segundo ele, um feixe de laser muito puro é dividido em dois e eles percorrem caminhos horizontais perpendiculares entre si, em formato de L. Eles são refletidos de volta e reunidos novamente. As distâncias entre os espelhos que refletem esses feixes são ajustadas para que haja um cancelamento perfeito da luz do feixe reunido. "Quando uma onda gravitacional passa, ela muda, de forma oscilatória, estas distâncias entre os espelhos", diz. Dessa forma, ela destrói aquela condição de cancelamento da luz do feixe reunido, fazendo com que alguma luz passe a chegar no foto-detector que, então, acusa a passagem da onda.
Landry trabalha no Observatório americano desde 2000. Entre 2010 e 2015 ele liderou a instalação do detector avançado do LIGO em Hanford, que apenas um ano depois detectou a primeira onda gravitacional. Segundo ele, se uma onda gravitacional passa pelo detector em forma de L -, diretamente acima de um dos sítios de observação do LIGO, ela irá contrair o espaço-tempo em um eixo (ao longo de um braço) e, ao mesmo tempo, expandir no outro eixo. Esta contração e expansão irá, então, alternar, isto é, expande o primeiro braço e contrai o segundo, para a frente e para trás durante vários ciclos – o tempo depende da fonte. Assim, os braços do interferômetro medem o comprimento relativo. "Acontece que, se você usar fótons suficientes (potência de laser suficientemente alta) e espelhos realmente lisos, você pode fazer medidas muito precisas da mudança relativa de comprimentos desses braços de quatro quilômetros de comprimento. Quando os comprimentos relativos do braço mudaram por alguns milésimos do tamanho de um próton, nós percebemos", conta.
Aguiar diz que esse movimento foi, na verdade, muito especial. "Ele tinha o formato de uma senoide (a forma de onda mais simples) com amplitude e frequência crescentes, exatamente nas proporções que deveriam ser para uma onda gravitacional produzida pelas últimas rotações da órbita de dois buracos negros entre si", explica. Além disso, acrescenta o pesquisador do Inpe, o movimento detectado era praticamente idêntico em ambos os detectores (Louisiana e Washington).
O pesquisador brasileiro reforça que estas descobertas surpreenderam a comunidade científica porque revelaram buracos negros estelares com mais massa do que se tinha conhecimento até agora. Elas representam uma pequena revolução nas teorias que preveem a formação de buracos negros. "Algumas dessas teorias vão certamente ter participação de brasileiros, mais cedo ou mais tarde", comenta.
É importante, segundo ele, que os brasileiros se juntem à Colaboração Cientifica LIGO ou a uma das outras colaborações de interferômetros laser. "Precisamos participar dessa emocionante busca pelo conhecimento que ainda é desconhecido no universo", conclui.