Escutando o Cosmos: Como Capturamos Ondas Gravitacionais

Introdução

As ondas gravitacionais são perturbações no tecido do espaço-tempo, produzidas pelos fenômenos mais violentos e energéticos do cosmos. Entre esses eventos estão explosões de supernovas, colisões entre estrelas de nêutrons ultradensas e fusões de buracos negros. Previstas por Albert Einstein em 1916 como uma consequência de sua teoria da relatividade geral, as ondas gravitacionais representam uma forma de energia que se propaga pelo espaço à velocidade da luz, deformando o espaço-tempo por onde passam.

A teoria da relatividade geral propõe que a presença de matéria e energia deforma o espaço-tempo ao seu redor, criando o que percebemos como gravidade. Quanto maior a massa de um corpo, maior será a curvatura do espaço-tempo ao seu redor. Assim, eventos cataclísmicos, que envolvem massas enormes e aceleradas, geram ondulações que se espalham pelo universo.

Apesar de Einstein ter previsto a existência das ondas gravitacionais, a tecnologia disponível em sua época não era suficientemente avançada para detectá-las. Foi apenas no século XXI, com o desenvolvimento de sofisticados instrumentos como o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), que a detecção direta dessas ondas se tornou possível, inaugurando uma nova era na observação e compreensão do universo.

Primeira Detecção de Ondas Gravitacionais

A detecção indireta das ondas gravitacionais ocorreu na década de 1970, quando a equipe do radiotelescópio de Arecibo, em Porto Rico, observou dois pulsares orbitando-se mutuamente e identificou que eles estavam se aproximando. Para isso, esse sistema precisou irradiar energia através de ondas gravitacionais.

As ondas gravitacionais diretas foram detectadas em 14 de setembro de 2015, às 6h51 no horário de Brasília, pelos detectores do LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). O anúncio foi feito por cientistas do projeto LIGO durante uma coletiva de imprensa promovida pela National Science Foundation (NSF) em Washington, nos Estados Unidos. “Senhoras e senhores, nós detectamos ondas gravitacionais. Nós conseguimos”, anunciou David Reitze, diretor executivo do projeto LIGO, durante o evento.

Detalhes da Detecção

Os pesquisadores afirmaram que as ondas gravitacionais detectadas foram produzidas durante os momentos finais da fusão de dois buracos negros que giravam um em torno do outro, como dois piões, irradiando energia na forma de ondas gravitacionais. Essas ondas têm um som característico, chamado de “sinal sonoro”, que pode ser usado para medir as massas dos dois objetos envolvidos.

Após girarem em torno um do outro, os dois buracos negros se fundiram em um único buraco negro mais massivo e em rotação. “Foi a primeira vez que isso foi observado”, afirmou Reitze. “Os buracos negros têm apenas 150 quilômetros de diâmetro, mas possuem 30 vezes a massa do Sol. Quando se fundem, há uma grande explosão de ondas gravitacionais”, explicou.

Essa detecção marcou um momento histórico na astronomia, abrindo uma nova era de observação do universo através das ondas gravitacionais e confirmando uma das principais previsões da teoria da relatividade geral de Einstein.

Como Funciona?

Os pesquisadores utilizam uma abordagem chamada interferometria a laser, que emprega detectores distantes entre si para detectar e localizar fontes de ondas gravitacionais. Quando uma onda gravitacional passa pela Terra, ela comprime o espaço-tempo em uma direção e o alonga em outra. O LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) mede qualquer variação associada a ondas gravitacionais utilizando um interferômetro laser gigante e extremamente preciso.

Estrutura do LIGO

Cada observatório, localizado em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington, separados por cerca de 3000 quilômetros, é composto por um interferômetro em forma de “L” com 4 km de distância em cada braço. Uma das grandes inovações é a utilização de cavidades de Fabry-Perot, que consiste no uso de espelhos nos braços do interferômetro, permitindo que os feixes de luz percorram o mesmo percurso repetidamente antes de se recombinarem, aumentando o comprimento efetivo do percurso de 4 km para 1120 km.

Detecção de Ondas Gravitacionais

O observatório de ondas gravitacionais americano pode detectar e estudar pequenas mudanças nos espelhos do interferômetro. Quando uma onda gravitacional passa pelo interferômetro, os tamanhos dos braços flutuam, causando uma diferença no padrão de interferência. Um interferômetro detecta pequenas oscilações em dois feixes de luz laser que se movem em direções diferentes. É necessário levar em consideração alguns efeitos aparentemente insignificantes, pois o sinal que buscamos é extremamente pequeno. Por exemplo, o laser empurra os espelhos, e mesmo que esse deslocamento seja minúsculo, é significativo no experimento. Para reduzir este efeito, os espelhos do LIGO são bastante pesados, cada um pesando cerca de quarenta quilos.

Funcionamento Interno do LIGO

As colisões que o LIGO costuma detectar ocorreram a bilhões de anos-luz da Terra, e suas oscilações já estão imperceptíveis quando nos alcançam. No prédio azul e branco do LIGO, um grupo de engenheiros de alto nível tecnológico cria um raio laser e, em seguida, o divide ao meio por meio de um espelho especial. Metade da luz vai para cada braço do interferômetro. Há espelhos no final dos braços que refletem a luz de volta para a origem.

Os parâmetros do sistema, incluindo o comprimento dos braços, são calculados para que os dois feixes do laser original se encontrem com vales nas ondas do outro feixe, criando uma zona de escuridão. Quando uma onda gravitacional distorce o espaço-tempo ao passar pela Terra, ela altera o comprimento dos braços do LIGO em milésimos de metro, o que coloca os feixes de laser fora de fase um com o outro no detector. Nessa situação, eles não se cancelam e a luz reaparece, permitindo a detecção da onda gravitacional.

Conclusão

A detecção de ondas gravitacionais marcou um momento histórico na astronomia, confirmando uma das principais previsões da teoria da relatividade geral de Einstein e inaugurando uma nova era de observação do universo. O uso da interferometria a laser no LIGO permitiu medir variações minúsculas no espaço-tempo, causadas pela passagem dessas ondas, possibilitando o estudo detalhado de eventos cósmicos distantes. Essas descobertas abriram novas possibilidades para entender fenômenos astronômicos e desenvolver tecnologias avançadas que podem ter aplicações em diversas áreas.