Einstein na crista das ondas

[Atualizado em 20/11/17]

No dia 03 de outubro de 2017, a Academia Real de Ciências da Suécia anunciou que o  Nobel de Física de 2017 iria ser dividido entre Rainer Weiss e a outra metade dividida entre Barry C. Barish e Kip S. Thorne, os três pertencentes à colaboração científica internacional LIGO/VIRGO, “por suas contribuições decisivas ao detector LIGO e a observação das ondas gravitacionais”.

Weiss e Thorne estão trabalhando desde a década de 1970 para tornar possível a detecção das ondas gravitacionais. Weiss, inclusive, criou o primeiro modelo de interferômetro no qual os detectores LIGO são baseados. Barish foi pesquisador principal da colaboração por mais de 10 anos, de 1994 a 2005, e diretor do laboratório LIGO de 1997 a 2005, sendo portanto seu primeiro diretor.

Comemorações à parte, não foi nenhuma surpresa que o prêmio Nobel fosse entregue a representantes do LIGO. A grande questão do ano era exatamente como o comitê do Nobel iria escolher essas pessoas. A observação das ondas gravitacionais tem uma história de mais de 100 anos de pesquisas. Desde a sua predição feita por Einstein em 1916, cientistas do mundo todo deram grandes e pequenas contribuições para a sua descoberta. Só o fato de escolherem indivíduos específicos para premiar, já cria um certo desconforto.

Nas palavras do próprio Thorne: “Eu esperava que o prêmio fosse para a colaboração LIGO/VIRGO, que fez a descoberta, ou para o laboratório LIGO, os cientistas do laboratório LIGO, que criaram e construíram e aperfeiçoaram os detectores de ondas gravitacionais e não para Barish, Weiss e eu. Nós vivemos numa era na qual algumas descobertas gigantescas são realmente o resultado de enormes colaborações, com contribuições relevantes vindo de um número muito grande de pessoas. Eu espero que no futuro o comitê do Prêmio Nobel encontre uma forma de premiar as grandes colaborações que fazem isso e não apenas as pessoas que talvez tenham sido seminais no início do projeto, como nós fomos.”

[Fim da atualização]

 

Dia 11 de fevereiro de 2016 cientistas do mundo todo reuniram-se em anfiteatros, salas de reunião, com grandes telas, com telas de TV ou simplesmente notebooks para ouvir uma das coletivas de impressa mais esperada do século. “Nós detectamos ondas gravitacionais. Sim, nós conseguimos!” (“We have detected gravitational waves. We did it!”, em tradução livre), anunciou o muito entusiasmado (e com razão!) David Reitze, diretor executivo do LIGO diretamente de Washington, D.C., nos EUA.

Mas o que é LIGO? O que são ondas gravitacionais? E, mais importante, por que os cientistas-tá-tudo-chorando-de-emoção a mais de uma semana?

É verdade. Não se falava em outras coisa nas últimas semanas nos institutos e departamentos de física ao redor do mundo. Os primeiros rumores alcançaram ouvidos incrédulos: Não… Deve ser notícia falsa, claro. Depois atingimos o nível de fofoca quente, fofoca com potencial: Fulane ouviu de fulano que fulana viu a medida. Eles estão preparando o artigo! Finalmente, na semana do comunicado oficial dava para ouvir gente gritando pelos corredores: Eu tô tão empolgade!!! E, realmente, gente chorou, gente se emocionou e todo mundo aplaudiu. E o mundo inteiro viu.

Então, vamos lá! Um guia rápido para entender a notícia.

O que são ondas gravitacionais?

Começamos por “coisas” mais comuns. Sabemos que as ondas eletromagnéticas transportam energia (radiação eletromagnética) nas mais diversas frequências, desde ondas de radio (baixa energia), passando pela pequena faixa de comprimentos de onda que conseguimos enxergar (luz) até raios gama (super energéticos). Diferentes eventos produzem diferentes ondas eletromagnéticas, basta acelerar partículas carregadas e voilá!, lá temos ondas eletromagnéticas. Nossos corpos emitem radiação eletromagnética infravermelha, o Sol emite 90% de radiação visível e infravermelha e 10% de ultravioleta ou menores comprimentos de onda, o GPS do seu celular comunica-se com satélites emitindo e recebendo ondas de radio. A ideia é essa: ondas eletromagnéticas transportam energia (radiação) de eventos que produzem campos elétricos e/ou magnéticos.

Ondas gravitacionais, portanto, transportam energia gravitacional. Enquanto ondas eletromagnéticas propagam-se no espaço-tempo, ondas gravitacionais são ondulações do próprio espaço-tempo. Einstein publicou, em 1916, uma teoria para a gravitação, a teoria da relatividade geral (TRG), levando em consideração a relatividade do tempo e do espaço, ou seja, limitando a velocidade de propagação da gravitação. Nessa teoria, a energia gravitacional se propaga com velocidade finita, igual a velocidade da luz. De uma maneira bem simplista, a teoria da relatividade especial (TRE) diz que todos os observadores sempre estão sujeitos as mesmas leis físicas e que a velocidade da luz no vácuo é a mesma para todos os observadores e a velocidade máxima de qualquer fenômeno que ocorra no universo. A teoria da relatividade geral (TRG) oferece uma descrição dos fenômenos gravitacionais de acordo com a teoria da relatividade especial. A TRG subtitui a anterior teoria da gravitação de Newton, na qual a força gravitacional se propaga instantaneamente em todo o universo.

Todos os testes a que a TRG foi submetida foram bem sucedidos. Já na sua publicação, a TRG conseguiu explicar a precessão da órbita de Mercúrio, problema não resolvido pela gravitação Newtoniana. Posteriormente, durante o eclipse total de 1919, o primeiro teste foi realizado e, de acordo com uma das predições da TRG, foi observado que a luz curva-se quando passa por uma fonte de gravitação suficientemente intensa: a luz emitida por estrela curvou-se ao passar pelo Sol. Essa correta predição lançou a TRG com força como uma das teorias fundamentais da física. E, conforme os anos passaram, os resultados de outros testes aumentaram cada vez mais o prestígio e a confiança na TRG: precessão do periélio de mercúrio; deflexão da luz pelo Sol; efeito de lentes gravitacionais; o atraso temporal que a luz sofre quando passa próxima de fontes gravitacionais; desvio para o vermelho gravitacional; precessões seculares na órbita de partículas teste que se movimentam ao redor de fontes gravitacionais em rotação (precessão de Lense-Thirring); detecção indireta de ondas gravitacionais através da observação de pulsares binários e a super recente detecção diretíssima de ondas gravitacionais. Você pode ler um pouquinho sobre esses teste aqui (link em inglês).

Por que foi tão difícil detectar as tais ondas?

Durante cem anos as ondas gravitacionais foram aguardadas por uns e questionadas por outros. Cientistas dividiam-se em dois grupos: os que acreditavam que encontrar ondas gravitacionais era uma questão de tempo (e de melhores e mais precisos instrumentos). E os que apontavam a sua não-detecção como indício de que a teoria de Einstein não estaria correta. Os últimos 50 anos foram dedicados a criação e construção de projetos em busca das ondas gravitacionais. As dificuldades técnicas são compreensíveis. Tome a nossa modesta comparação entre ondas gravitacionais e ondas eletromagnéticas, por exemplo. A força eletromagnética é da ordem de 10 elevado a 36 vezes mais intensa que a força gravitacional! É de se imaginar que para observar ondas gravitacionais seja necessário eventos muito muito muito mais intensos e assim obter sinais suficientemente fortes. Porém, eventos intensos são raros e, por isso, difíceis de detectar. Além do mais tem toda a dificuldade técnica de diferenciar que sinal é de quê, uma vez que o sinal de ondas gravitacionais vem “misturado” com outros tantos sinais. E por aí vai.

Em setembro do ano passado, a galera do LIGO (falaremos do observatório mais adiante) detectou um sinal que correspondia exatamente com as predições da colisão de dois buracos negros. Imagina: dois buracos negros separados a uma distância menor do que Rio-São Paulo. Um pesando 29 vezes a massa do Sol. O outro, 36 vezes a massa do Sol. Eles giravam um em torno do outro cada vez mais rápido, se aproximando cada vez mais, com velocidade em torno da metade da velocidade da luz, até que BAM! Eles viram um buraco negro só. As ondas gravitacionais (o sinal medido) desse evento, dessa coisa absurda de poderosa, demorou 1,3 bilhões de anos para chegar até a Terra. Chegou, distorceu o espaço e o tempo, e o LIGO mediu. Sabe o tamanho do sinal? 1 milésimo do diâmetro do próton!!! Minha gente, é muito pequeninho esse sinal! E é por isso que o LIGO tem que ter uma precisão boladona: ele tem precisão suficiente para medir a distância da Terra ao Sol dividindo 150 milhões de kilômetros em pedacinhos menores do que a espessura de um fio de cabelo! E é por isso que os cientistas-chora-tudo-de-emoção. :p

Vídeo da simulação de dois buracos negros colidindo. Esse vídeo é uma simulação de computador do que seria visto na realidade por um astronauta que estivesse perto o suficiente para ver mas longe o bastante para não participar!

Tá… Mas esse tal de LIGO é o quê?

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) são dois interferômetros construídos em 1992 com a missão de detectar ondas gravitacionais. Não são os únicos equipamentos no mundo com esse objetivo, mas são os mais precisos e os reponsáveis pela detecção badalada. Os dois interferômetros foram construídos nos EUA e estão separados a uma distância de mais de 3000 Km. Isso porque é necessário que dois instrumentos meçam simultânea e independentemente o mesmo evento para ter certeza que o sinal não é ruído ou outro evento local qualquer (lembra, sinal com 1 milésimo do tamanho do diâmetro do próton…). Se os dois interferômetros medem a mesma coisa ao mesmo tempo significa que o evento tem origem astrofísica, ou seja, vem lá dos confins do universo.

aerial_ligo5_300_Livingston

Esse é o LIGO Livington, cada bracinho desses mede 4 Km. O outro interferômetro fica em Hanford. Créditos: LIGO.

A construção inicial data de 1992, mas claro que já houveram várias alterações e melhorias. A última foi em setembro de 2015, e o LIGO passou a ser conhecido como Advanced LIGO (LIGO Avançado, em tradução livre.) As alterações na precisão foram tão drásticas que muitos apostaram que se ondas gravitacionais não fossem detectadas (e logo!) significaria que o modelo de gravitação do Einstein (a TRG) estaria errado. Detectaram os dois buracos negros colidindo dois dias depois do início das atividades do Advanced LIGO… Para você ver que esse pessoal não está brincando…

interferômetros-esquema

Esse é um esquema simplificado e fora de escala dos interferômetros. Cada braço tem 4 Km de comprimento. O sinal emitido pelo laser chega nas extremidades dos braços e é refletido por espelhos que encontram-se nas extremidades e no “cotovelo” entre os braços. Quando as ondas gravitacionais passaram pela Terra, um dos braços do interferômetro encolheu enquanto o outro esticou, isso durante o primeiro ciclo de onda. No segundo ciclo, o braço que havia esticado encolheu e o braço que havia encolhido,  esticou. O mesmo aconteceu com o outro interferômetro que fica a 3000 Km de distância. O mapinha marca a localização de cada um dos interferômetros nos EUA. Créditos: Artigo da Colaboração LIGO.

E tem muita gente envolvida nessa descoberta. Fora o pessoal que trabalhou na teoria e nas técnicas de detecção ao longo desses cem anos, tem o pessoal diretamente ligado ao LIGO na chamada LIGO Scientific Collaboration (Colaboração Científica LIGO, em traduação livre): mais de 1000 cientistas de 16 países em 80 instituições ao redor do mundo estão com os nomezinhos marcados na História. O Brasil é o único país da América Latina participando e tem 7 pesquisadores envolvidos: 6 do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e 1 do International Center for Theoretical Physics (ICTP-SAIFR).

Tá… E isso muda o quê? O que vem por aí?

Olha, vem coisa grande por aí… O que exatamente ninguém sabe. Mas imagina que até então nós observávamos o universo com ondas eletromagnéticas e só “enxergávamos” o universo de 400 000 anos para cá, porque antes disso ele era opaco às ondas eletromagnéticas. Agora, nós vamos poder investigar as origens do universo com ondas gravitacionais que são transparentes durante T-O-D-A a existência do universo. Fora buracos negros, estrelas de nêutrons, matéria escura e o escambau… tudo poderá ser “visto” de maneira diferente agora. Imagina assim: Quando Galileu apontou uma luneta para observar o Sistema Solar, quando Hertz gerou ondas de radio em laboratório pela primeira vez… A parada é nervosa nesse nível.

A nova era começou! E não é papo de cartomante. É ciência! *_*

Referências e sugestões (mas em inglês :/):

O artigo bombadão pra quem é (ou quer ser!) da área.

Comunicado oficial (em vídeo) com gente feliz e videozinhos legais para todo mundo curtir.

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