Detecção de ondas gravitacionais ganha prêmio Nobel de Física
Bryan Dyne
11 de novembro de 2017
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Publicado originalmente em 6 de Outubro de 2017
O Prêmio Nobel de Física de 2017 foi concedido aos cientistas Kip Thorne, Rainer Weiss e Barry Barish pelo pioneiro trabalho que levou à detecção direta das ondas gravitacionais. Segundo o Comitê do Nobel, a detecção das ondas gravitacionais foi um avanço decisivo no conhecimento científico e no domínio técnico, feitos que têm sido celebrado em todo o mundo.
O trabalho dos físicos aconteceu ao longo de cinco décadas e culminou no dia 14 de Setembro de 2015, quando os dois detectores do Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser (LIGO) registraram a primeira assinatura inequívoca de uma onda de gravidade – e que também confirmou a previsão teórica de como seria a fusão de dois buracos negros. As ondas gravitacionais foram primeiramente previstas por Einstein em 1916 como parte de sua teoria da relatividade geral. Nos últimos cem anos, muitas foram as tentativas de detecta-las para obter mais uma prova da teoria da relatividade geral e utilizá-las como mais uma maneira de se explorar o universo.
Os ganhadores do Nobel refletem a variedade de origens dos quase 1.200 pesquisadores e engenheiros que trabalham no LIGO. Thorne nasceu em Utah, em 1940, de uma família Mórmon cujos descendentes viajaram para o oeste a pé e a cavalo durante e após a Guerra Civil americana. Ele estudou a relatividade geral em Princeton e se tornou professor do Instituto de Tecnologia da Califórnia (CalTech) em 1967, onde começou a trabalhar na matemática necessária para se detectar ondas gravitacionais.
Weiss e sua família foram forçados a fugir da Alemanha nazista e da Europa em 1938, quando o futuro físico tinha seis anos, para que seu pai deixasse de ser perseguido e possivelmente morto pelos nazistas por ser judeu e membro do Partido Comunista alemão. Sua carreira acadêmica, da graduação até se tornar professor, foi realizada no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), onde começou a trabalhar na década de 1970 para desenvolver os instrumentos especiais necessários para testar a relatividade geral.
Barish, hoje com 81 anos, nasceu em Nebraska de uma família de imigrantes judeus da Bielorrússia. Sua educação e carreira profissional aconteceram no CalTech, onde atualmente é professor emérito e o principal cientista e diretor do LIGO.
Dois outros físicos, ambos falecidos e que não poderiam ganhar o Nobel, devem ser mencionados por suas importantes contribuições: Ronald Drever e Vladimir Braginsky. Drever nasceu em 1931 em Bishopton, Renfrewshire, na Escócia, e fez tanto a graduação quanto o doutorado na Universidade de Glasgow. Ele faz parte da equipe original que na década de 1970 trabalhou na matemática para analisar e detectar ondas gravitacionais. Braginsky nasceu em Moscou em 1931 e recebeu seu doutorado pela Universidade Estadual de Moscou em 1967. Ele estava trabalhando em seu próprio método para detectar ondas gravitacionais quando foi visitado por Kip Thorne, em 1968, e os dois trabalharam lado a lado até a morte de Braginsky, em 2016.
Do ponto de vista técnico, a conquista do LIGO mereceria por si só o prêmio. A partir do início da década de 1990, os detectores foram desenvolvidos com a consciência de que novas tecnologias de laser, câmaras de vácuo, sensoriamento remoto, polimento de espelho e sismologia seriam precisos para alcançar a sensibilidade necessária para a detecção das ondas gravitacionais. As centenas de engenheiros neste projeto realizaram importantes e pioneiros trabalhos que levaram a primeira detecção de ondas gravitacionais, e desde então realizaram aperfeiçoamentos que permitiram que a detecção aconteça agora frequentemente.
Os pesquisadores do projeto também tiveram que desenvolver novos ramos da matemática para entender corretamente os sinais que estavam sendo detectados pelo LIGO, e determinar, entre uma miríade de sinais, quais correspondiam às ondas gravitacionais. Para tanto, eles tiveram que medir a distância entre a Terra e a estrela mais próxima, Alfa- Centauri, com uma precisão da largura de um fio de cabelo humano, ao mesmo tempo que determinavam as mudanças sutis na órbita terrestre causadas por todos os planetas, a lua, asteróides e cometas no sistema solar.
A conquista teórica, no entanto, é ainda maior. Tudo o que a humanidade aprendeu sobre o que existe além da Terra aconteceu através da detecção de todos os comprimentos de ondas eletromagnéticas (ondas de rádio, infravermelho, luz, raios-X, etc.) de todas as direções possíveis do universo. Aprendemos sobre os fenômenos de alta energia do universo com a detecção de intensos raios cósmicos que atingem a Terra, uma partícula produzida muito longe por algum evento extremamente energético, como com uma explosão de raios gama. Em 1987, 20 neutrinos foram detectados de uma estrela à medida que colapsava em uma supernova, confirmando o que acreditávamos que acontecesse nos últimos momentos da vida de uma estrela muito maior que o nosso próprio Sol.
Agora, no entanto, os astrônomos têm um número cada vez maior de dados de eventos apenas observáveis através da emissão de ondas gravitacionais, ou seja, através da distorção do espaço-tempo causada por corpos com enorme campo gravitacional que são acelerados. Embora este campo científico ainda seja relativamente novo, já produziu uma quantidade impressionante de resultados científicos.
Até hoje, houve quatro detecções concretas de ondas gravitacionais e um punhado mais aguardam comprovação. Todos os eventos detectados até agora são da fusão de buracos negros entre 7 e 36 vezes a massa do Sol, um fenômeno observado pela primeira vez com o LIGO e cuja possibilidade de ocorrência e sua frequência ainda eram incertas. A origem dessas fusões ainda permanece desconhecida - alguns acreditam que muitas aconteceram durante a formação das primeiras estrelas do universo. Graças ao LIGO e ao seu detector-irmão Virgo, os cosmólogos agora têm novas janelas para observar a formação e a evolução de raras estrelas supermassivas, através das quais algumas questões muito antigas poderão ser resolvidas.
Dados de mais detecções ainda definirão se essa primeira geração de estrelas se formou preferencialmente em aglomerados densos ou estava mais uniformemente distribuída. As fusões de buracos negros detectadas também forneceram pistas sobre como formaram os buracos negros supermassivos que são encontrados no coração de praticamente todas as galáxias.
A detecção mais recente, em 14 de agosto, revelou muito mais. Essa foi a primeira vez que os dois detectores LIGO, em Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana, ambos nos EUA, conseguiram trabalhar em conjunto com o recentemente reaberto Observatório Virgo, perto de Pisa, Itália. Ao utilizar a detecção dos três observatórios, os astrônomos puderam determinar a região do espaço que originou as ondas gravitacionais com uma precisão 20 vezes maior do que a anterior. Isso permitiu que 25 outros observatórios acompanhassem essa fusão com telescópios visuais, chegando a conclusão de que havia ocorrido a fusão de buracos negros, uma vez que nenhum evento luminoso foi registrado.
A detecção dos três observatórios também permitiu que os pesquisadores determinassem a estrutura de oscilação interna (a polarização) da onda gravitacional. Esse foi importante teste da teoria da relatividade geral, que descreve o comportamento das ondas gravitacionais de uma maneira particular. Outras teorias da gravidade, que modificam, ampliam ou às vezes substituem a relatividade geral, têm suas próprias previsões. A análise atual mostra que, mesmo em casos tão extremos, a teoria de Einstein está correta.
Uma das perspectivas mais emocionantes sobre a astronomia de ondas gravitacionais é a capacidade de coletar informações mais antigas do que é possível com a luz. Como qualquer um que já se protegeu na sombra de uma árvore com sol a pino sabe, os galhos e as folhas podem bloquear a luz. Isso pode ser transposto em escala cósmica ao tentar usar a luz para ver os primeiros momentos do universo conhecido. Há uma “sombra” conhecida como o radiação cósmica de fundo que nos impede de ver os primeiros 380.000 anos da existência do universo conhecido.
Com as ondas gravitacionais esse problema não existe. Até onde sabemos, o único objeto que pode refletir, refratar, difratar ou absorver uma onda gravitacional é um buraco negro, que existe em pequena quantidade se comparado com enorme vastidão do espaço e permite que as ondas gravitacionais viajem pela imensidão do universo praticamente sem impedimento. Isso nos permite conhecer em primeira mão eventos que literalmente não podemos ver.
Embora já se tenha conhecido muito nos últimos dois anos, muitas outras questões ainda não foram respondidas. Por exemplo, ainda falta a detecção de ondas gravitacionais geradas por uma colisão entre estrelas de nêutrons ou anãs brancas, corpos extremamente densos cujas partes internas são muito mais complexas do que a de um buraco negro. O LIGO e o Virgo apenas observam uma parte do espectro das ondas gravitacionais.
Um método diferente de detecção, conhecido como “pulsar timing”, consegue detectar frequências de ondas gravitacionais diferentes do que as observadas pelo LIGO e o Virgo, e espera-se encontrar ainda ondas gravitacionais da fusão de buracos negros supermassivos durante a fusão de galáxias. À medida que mais e mais instrumentos para detectar ondas gravitacionais surgirem, mais a humanidade aprende sobre alguns dos eventos mais fascinantes do cosmos, incluindo suas origens.