A primeira observação da colisão e fusão de um par de buracos negros foi efetuada no dia 14 de setembro de 2015 (sigla do evento: GW150914) às 6h51, horário de Brasília, pelos dois detectores do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser (sigla Ligo em inglês).

No dia 26 de dezembro de 2015, ondas gravitacionais foram observadas pela segunda vez (GW151226) à 1h38, horário de Brasília, marcando o começo de uma nova era em astronomia e abrindo uma nova janela de observação do universo sob a forma de ondas gravitacionais.

Os observatórios Ligo são financiados pela Fundação Nacional de Ciências dos Estados Unidos (sigla NSF em inglês) e foram originalmente propostos como meio de detectar ondas gravitacionais nos anos 1980 por Rainer Weiss, professor emérito de física do MIT; Kip Thorne, professor emérito na cátedra Richard P. Feynman de física teórica da Caltech, e Ronald Drever, professor emérito de física, também da Caltech.

As descobertas, aceitas para publicação no jornal científico Physical Review Letters, foram feitas pela Colaboração Científica Ligo (que inclui a Colaboração GEO600 e o Consórcio Australiano de Astronomia Interferométrica Gravitacional) e a Colaboração Virgo, utilizando dados dos dois detectores Ligo.

A pesquisa no Ligo é realizada pela Colaboração Científica (sigla LSC em inglês), um grupo de mais de mil cientistas de universidades espalhadas nos Estados Unidos e em 14 outros países. Mais de 90 universidades e institutos de pesquisa na LSC desenvolvem tecnologia de detecção e analisam dados; aproximadamente 250 estudantes são fortes membros contribuintes da Colaboração.

Existem dois grupos no Brasil, ambos no estado de São Paulo, que participam oficialmente da LSC. O primeiro está na Divisão de Astrofísica do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), em São José dos Campos, órgão do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação, e conta com seis membros; o segundo, no Instituto de Pesquisa Fundamental da América do Sul, filiado ao Centro Internacional de Física Teórica (sigla ICTP-SAIFR em inglês), localizado no IFT/Unesp, na cidade de São Paulo.

As ondas gravitacionais são oscilações do espaço-tempo causadas por alguns dos fenômenos mais violentos do cosmos, como colisões e fusões de estrelas massivas compactas, cuja existência foi prevista por Einstein em 1916, quando ele mostrou que objetos massivos acelerados distorciam o espaço-tempo causando a irradiação de ondas na forma de radiação gravitacional. Essas oscilações viajam à velocidade da luz através do universo, levando informações sobre suas origens e sobre a natureza da gravidade.

Nas últimas décadas, os astrônomos têm acumulado fortes evidências de que as ondas gravitacionais existem, principalmente por estudar seu efeito em órbitas próximas de pares de estrelas de nêutrons em nossa galáxia. Os resultados desses estudos concordam muito bem com a teoria de Einstein – com exatamente o mesmo decaimento orbital previsto pela teoria e que é devido à perda de energia transportada por ondas gravitacionais. No entanto, a detecção direta de ondas gravitacionais tem sido amplamente desejada pela comunidade científica, já que essa descoberta forneceria maneiras novas e mais robustas para testar a Relatividade Geral sob condições extremas, abrindo uma nova maneira para explorar o universo.

No mesmo ano em que Einstein previu a existência das ondas gravitacionais, o físico Karl Schwarzschild mostrou que o trabalho de Einstein deu suporte teórico à existência de buracos negros: objetos estranhos tão densos e compactos que nem mesmo a luz poderia escapar de sua atração gravitacional. Embora não possamos “ver” a luz de um buraco negro, desde então astrônomos reuniram uma importante coleção de evidências de sua existência, estudando os efeitos desses candidatos a buracos negros na área circundante a eles. Por exemplo, acredita-se que a maioria das galáxias, incluindo a Via Láctea, contém um buraco negro supermassivo no seu centro – com massas milhões ou até bilhões de vezes maiores que a do Sol. Também existem evidências de buracos negros com massas muito menores (de poucas vezes até uma dúzia de vezes a massa do Sol), restos de estrelas mortas que sofreram uma explosão cataclísmica chamada de colapso do núcleo supernova.

Além desses progressos substanciais na observação indireta de buracos negros, a nossa compreensão teórica desses estranhos objetos foi drasticamente melhorada – incluindo, na última década, alguns avanços notáveis em nossa capacidade de simular em computador as várias órbitas muito próximas até a fusão de um sistema binário (composto por um par) de buracos negros. Esses modelos nos permitiram criar formas de ondas gravitacionais muito precisas – ou seja, os padrões de ondas gravitacionais emitidas por buracos negros e como eles evoluem à medida que os buracos negros ficam mais próximos até finalmente se fundirem em um único buraco negro, mais massivo – de acordo com as previsões da Relatividade Geral. Assim, a observação direta de uma fusão de buracos negros ofereceria um poderoso laboratório cósmico para testar a teoria de Einstein.

Ligo é o maior observatório de ondas gravitacionais e um dos mais sofisticados experimentos de física do mundo. Composto por dois grandes interferômetros a laser localizados a milhares de quilômetros de distância, um em Livingston, Louisiana, e outro em Hanford, estado de Washington, o Ligo usa as propriedades físicas da luz e do espaço para detectar ondas gravitacionais – um conceito que foi proposto pela primeira vez nas décadas de 1960 e 1970. Um primeiro conjunto de detectores foi concluído no início de 2000, incluindo o TAMA300 no Japão, o GEO600 na Alemanha, o Ligo nos Estados Unidos e o Virgo na Itália. Em seguida, e usando combinações desses detectores, foram feitas observações conjuntas entre 2002 e 2011, sem se obter qualquer detecção de ondas gravitacionais. Depois de progressos significativos realizados, os detectores Ligo começaram a operar em 2015 como Ligo Avançado: os primeiros de uma rede global de detectores significativamente mais sensíveis.

Um interferômetro como o Ligo consiste de dois braços perpendiculares (no caso do Ligo, esses braços são de 4 km) em que um feixe de laser é enviado e refletido pelos espelhos (massas teste suspensas) no final dos braços. Quando uma onda gravitacional passa, a ampliação e o encolhimento do espaço faz com que os braços do interferômetro se alonguem e encolham alternadamente, um fica menor enquanto o outro fica maior e vice-versa. Como os braços alteram de comprimento, os feixes de laser viajam distâncias diferentes através dos braços – o que significa que os dois feixes não estão mais em fase e produzindo o que chamamos de padrão de interferência. É por causa disso que nos referimos aos detectores Ligo como “interferômetros”. A diferença entre o comprimento dos dois braços é proporcional à intensidade da onda gravitacional que está passando, chamada de amplitude de deformação da onda gravitacional, sendo essa amplitude de deformação extremamente pequena. Em uma onda gravitacional típica, supõe-se que essa amplitude de deformação deva ser, aproximadamente, dez mil vezes menor que o diâmetro de um próton! Ainda assim os interferômetros Ligo são tão sensíveis que eles podem medir esses valores extremamente pequenos.

Para detectar com sucesso uma onda gravitacional como a GW150914, os detectores Ligo precisam combinar uma grande sensibilidade com a capacidade de isolar os sinais reais das fontes de ruído instrumental: pequenas perturbações devido, por exemplo, a efeitos ambientais ou ao próprio instrumento, poderiam imitar – ou simplesmente superar – os padrões de ondas gravitacionais que estamos buscando. Essa é uma das principais razões pelas quais há dois detectores Ligo Avançados, o que nos permite distinguir as ondas gravitacionais dos efeitos ambientais e instrumentais acima mencionados: só um sinal de onda gravitacional real apareceria em ambos os detectores – que, sem dúvida, estariam separados por alguns milésimos de segundo, considerando o tempo que a luz (ou uma onda gravitacional) leva para se deslocar entre os dois detectores.

Ondas gravitacionais levam informações sobre a própria origem e sobre a natureza da gravidade que não podem ser obtidas de outro jeito. A comparação dos dados de amplitude com as previsões teóricas permite testar que a Relatividade Geral é realmente a teoria correta para descrever o evento e estimar características físicas específicas de GW150914: aconteceu a uma distância da Terra de mais de 1 bilhão de anos-luz da Terra e os dois buracos negros se fusionando têm massas aproximadamente 36 vezes e 29 vezes a do Sol. O buraco negro remanescente teria uma massa ao redor de 62 vezes a do Sol; a coalescência converteu aproximadamente três vezes a massa do Sol em energia na forma de ondas gravitacionais, a maioria emitida em uma fração de segundo. Além disso, conclui-se que o buraco negro remanescente está girando – estes buracos negros em rotação foram formulados de maneira teórica em 1963 pelo matemático Roy Kerr. Desde a evolução da frequência do sinal pode-se concluir que os dois componentes estiveram separados por algumas poucas centenas de quilômetros imediatamente antes de se fundirem, ou seja, quando a frequência da onda gravitacional era de aproximadamente 150 Hz.

No caso do GW151226, físicos concluíram que essas ondas gravitacionais foram produzidas durante os últimos instantes da fusão de dois buracos negros de massa respetivamente 14 e 9 vezes o nosso Sol – produzindo um buraco negro só, mais massivo, 21 vezes mais pesado que o Sol. A partir do tempo de chegada dos sinais, o detector do Livingston mediu as ondas 1,1 milissegundos antes do detector de Hanford. A posição da fonte no céu pode ser aproximativamente determinada, mas com menos precisão que no caso do GW150914, por causa da menor intensidade do sinal. O sinal detectado foi originado das últimas 55 órbitas dos buracos negros antes da colisão. É muito significativo que o segundo par de buracos negros foi muito menos massivo que o observado na primeira detecção: graças a suas massas menores, comparadas com aquelas da primeira detecção, passaram mais tempo – cerca de um segundo – na banda sensível dos detectores.

Ambas as descobertas foram possíveis graças às capacidades avançadas do Advanced Ligo, um melhoramento radical que acrescentou sensibilidade aos instrumentos na comparação com a primeira geração dos detectores Ligo, permitindo acrescentar bastante o volume do universo observado. A segunda detecção legitimou a “0”: com as detecções de dois eventos fortes nos quatro meses de tomada de dados, pode-se começar a fazer predições sobre quantas vezes poderíamos escutar ondas gravitacionais no futuro. Ligo está permitindo o tipo de informações astrofísicas que só podem vir desde as detecções das ondas gravitacionais.

A próxima tomada de dados do Advanced Ligo começará nos últimos meses do 2016. Até então, ulteriores melhoramentos na sensibilidade dos detectores são esperados, permitindo que Ligo atinja de 1,5 até 2 vezes mais volume do Universo. Espera-se que o detector Virgo possa tomar dados junto com os Ligo’s na segunda metade da próxima tomada de dados.

Os projetos futuros incluem melhorias nos detectores Ligo Avançados e a extensão da rede global de detectores para incluir o Virgo Avançado, o Kagra e um possível terceiro detector Ligo na Índia, o que vai melhorar significativamente nossa capacidade de localizar posições de fontes de ondas gravitacionais no céu e estimar suas propriedades físicas.

O novo campo da astronomia de ondas gravitacionais parece ter um futuro brilhante pela frente!

Riccardo Sturani é mestre (1997) e doutor (2000) em física pela Scuola Normale Superiore (SNS, Itália), com ênfase em física das ondas gravitacionais. É bolsista jovem pesquisador do Instituto de Física Teórica (IFT) da Universidade Estadual Paulista (Unesp).

Informações adicionais

A página da Colaboração Científica Ligo:

http://www.ligo.org

Página do Virgo Avançado:

http://public.virgo-gw.eu/language/en/

Ligo Open Science Center (com os dados do GW150914 e do GW151226):

https://losc.ligo.org/about/