Os cientistas detetaram ondas gravitacionais diretamente pela primeira vez, utilizando dois observatórios americanos extraordinariamente sensíveis para medir distorções no espaço-tempo criadas pela colisão de dois buracos negros a mais de mil milhões de anos-luz de distância.
O Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferómetro Laser (LIGO, na sigla em inglês) anunciou o resultado na quinta-feira em Washington, confirmando uma previsão feita por Albert Einstein há um século na sua teoria da relatividade geral. O sinal foi registado a 14 de setembro por detetores gémeos na Louisiana e no estado de Washington e passou os meses seguintes a ser analisado e verificado.
A descoberta é um marco na física, mas também uma conquista extraordinária da engenharia. Os instrumentos detetaram uma alteração na distância inferior a uma fração da largura de um protão, o que exigiu lasers, espelhos, isolamento de vibrações, sistemas de vácuo e infraestruturas computacionais capazes de separar um sinal astrofísico do movimento constante e do ruído da Terra.
Um sinal proveniente da colisão de dois buracos negros
As ondas gravitacionais tiveram origem em dois buracos negros que giravam em espiral um em torno do outro e fundiram-se num buraco negro maior. Os cientistas do LIGO estimam que os objetos originais tinham aproximadamente 29 e 36 vezes a massa do Sol e que o buraco negro final tinha cerca de 62 massas solares.
A massa em falta não se perdeu no sentido comum. Aproximadamente três massas solares foram convertidas em energia das ondas gravitacionais durante a fracção final de segundo, produzindo uma explosão suficientemente poderosa para atravessar o universo e ainda assim ser detectada na Terra.
O sinal atingiu o detetor de Livingston, Louisiana, e, cerca de sete milissegundos depois, o detetor de Hanford, Washington. As observações coincidentes em duas instalações amplamente separadas deram aos investigadores a certeza de que estavam a testemunhar um evento astronómico, e não vibrações locais ou ruído de equipamento.
O evento foi designado GW150914, refletindo a data em que foi observado. Os cientistas afirmam que a sua significância estatística é suficientemente forte para descartar, com extraordinária confiança, uma flutuação acidental do ruído.
Medição de distâncias menores que um núcleo atómico
O LIGO funciona dividindo um feixe de laser em dois braços perpendiculares, cada um com quatro quilómetros de comprimento. Os feixes viajam para a frente e para trás entre espelhos altamente refletores e são depois recombinados.
Se os dois braços mantiverem exatamente o mesmo comprimento, as ondas de luz anulam-se de forma previsível. Uma onda gravitacional que passa estica o espaço numa direção enquanto o comprime na outra, criando uma diferença ínfima na distância percorrida pelos dois feixes.
O desafio é a escala. A alteração que o LIGO precisa de medir é muito menor que um átomo. Os sismos, os camiões, o vento, o movimento térmico e até mesmo as perturbações microscópicas nos equipamentos podem produzir efeitos muitas ordens de grandeza superiores.
Os engenheiros construíram, portanto, os interferómetros dentro de enormes sistemas de vácuo e suspenderam os espelhos utilizando sistemas sofisticados de isolamento de vibrações. O Advanced LIGO, uma grande atualização concluída antes da atual campanha de observação, aumentou a sensibilidade o suficiente para tornar possível a primeira deteção direta quase imediatamente.
O LIGO avançado transforma décadas de trabalho numa deteção
A Fundação Nacional de Ciência (NSF) apoia o LIGO há décadas, o que o torna um dos maiores investimentos a longo prazo da agência em física experimental. O Caltech e o MIT conceberam e operam os observatórios com a participação de uma ampla colaboração científica internacional.
A primeira geração de instrumentos LIGO operou durante anos sem detetar diretamente as ondas gravitacionais. Esta ausência não foi considerada evidência de que as ondas não existiam; em vez disso, demonstrou que os instrumentos necessitavam de uma maior sensibilidade para observar eventos que se esperava serem raros e distantes.
A atualização Advanced LIGO melhorou lasers, espelhos, isolamento sísmico, controlos e sistemas de dados. De acordo com o Laboratório LIGO, os detetores melhorados podem mapear um volume do universo muito maior do que os seus antecessores.
O resultado ilustra uma característica distintiva da ciência moderna: as grandes descobertas dependem frequentemente tanto do desenvolvimento contínuo da engenharia como de um único avanço teórico. Einstein forneceu a previsão matemática em 1916, mas a observação direta do fenómeno exigiu tecnologias indisponíveis durante a maior parte do século seguinte.
Um Novo Tipo de Astronomia
Até agora, quase tudo o que os astrónomos sabem sobre objetos distantes provém da radiação eletromagnética — luz visível, ondas de rádio, raios X, radiação infravermelha e outras partes do espectro.
As ondas gravitacionais transportam um tipo diferente de informação. São geradas por massas aceleradas e podem atravessar a matéria sem serem absorvidas ou dispersas da mesma forma que a luz.
Isto significa que os astrónomos poderão estudar eventos difíceis ou impossíveis de observar com telescópios convencionais. A fusão de buracos negros é um exemplo evidente, pois não emitem luz diretamente. A sua interação gravitacional, no entanto, pode criar ondas poderosas no espaço-tempo.
Os investigadores comparam o avanço à aquisição de um novo sentido. A astronomia sempre se baseou sobretudo na observação do universo. Os observatórios de ondas gravitacionais podem permitir aos cientistas "ouvir" eficazmente os eventos cósmicos violentos através de padrões codificados nas mudanças do espaço-tempo.
A deteção também confirma fusões de buracos negros
O sinal fornece mais do que a confirmação das ondas gravitacionais. É também a primeira evidência direta da fusão de um sistema binário de buracos negros.
Os astrónomos tinham fortes razões teóricas para acreditar que tais sistemas existiam, mas a colisão observada pelo LIGO fornece uma medição direta das fases finais do processo.
A forma de onda corresponde de perto às previsões da relatividade geral de Einstein para dois objetos compactos massivos em espiral. Isto oferece aos físicos a oportunidade de testar a teoria sob condições de gravidade extremamente forte que não podem ser reproduzidas na Terra.
Até à data, o sinal observado é consistente com a relatividade geral. Detecções futuras poderão fornecer testes cada vez mais precisos e poderão eventualmente revelar comportamentos que a teoria actual não explica completamente.
A computação é essencial para a descoberta
O hardware do LIGO recebe grande parte da atenção, mas o processamento computacional é igualmente importante. Os detetores produzem continuamente grandes volumes de dados contendo tanto possíveis sinais astrofísicos como enormes quantidades de ruído de fundo.
Os investigadores utilizam algoritmos sofisticados para comparar os dados com as formas de onda previstas para diferentes tipos de eventos cósmicos. Os recursos de computação distribuída em universidades e centros de investigação ajudam a processar as observações e a estimar se um sinal candidato é genuíno.
A colaboração em si é internacional e altamente interligada. Centenas de investigadores contribuem para o desenvolvimento de instrumentos, análise de dados e modelação teórica, enquanto os clusters de computação permitem que equipas separadas por continentes trabalhem nas mesmas observações.
A descoberta reflete, portanto, a convergência entre o hardware de precisão, a computação em larga escala e a física teórica.
Uma deteção é o início, não o fim
Os cientistas esperam mais sinais à medida que o Advanced LIGO continua as suas observações e se torna mais sensível. Detetores adicionais, planeados ou em construção em todo o mundo, poderão melhorar a capacidade de determinar a origem das ondas gravitacionais no céu.
Uma rede global permitiria também aos astrónomos coordenar as observações de ondas gravitacionais com telescópios convencionais. Se um evento futuro produzir tanto ondas gravitacionais como luz, os investigadores poderiam estudá-lo através de múltiplas formas de informação em simultâneo.
Não há garantia de que cada nova observação será tão impactante como a primeira, e a área continua a ser tecnicamente complexa. Mas a questão essencial — se as ondas gravitacionais podem ser medidas diretamente na Terra — foi agora respondida.
A previsão de Einstein sobreviveu um século antes de a tecnologia se tornar capaz de a testar diretamente. Esta semana, dois instrumentos de quatro quilómetros na Louisiana e em Washington mediram os momentos finais da colisão de dois buracos negros há mais de mil milhões de anos. A importância científica é imensa, mas a lição tecnológica é igualmente impressionante: ao medirem mudanças quase inimaginavelmente pequenas, os engenheiros deram à humanidade um instrumento completamente novo para observar o universo.
