Após um hiato de três anos, cientistas nos Estados Unidos acabam de ligar detectores capazes de medir ondas gravitacionais – pequenas ondulações no próprio espaço que viajam pelo universo.
Ao contrário das ondas de luz, as ondas gravitacionais são quase desimpedidas pelas galáxias, estrelas, gás e poeira que preenchem o universo. Isso significa que, ao medir as ondas gravitacionais, astrofísicos como eu podem espiar diretamente o coração de alguns desses fenômenos mais espetaculares do universo.
Desde 2020, o Observatório de Ondas Gravitacionais Interferométricas a Laser – comumente conhecido como LIGO – está inativo enquanto passa por algumas atualizações interessantes. Essas melhorias aumentarão significativamente a sensibilidade do LIGO e devem permitir que a instalação observe objetos mais distantes que produzem ondulações menores no espaço-tempo.
Ao detectar mais eventos que criam ondas gravitacionais, haverá mais oportunidades para os astrônomos também observarem a luz produzida por esses mesmos eventos. Ver um evento através de múltiplos canais de informação, uma abordagem chamada astronomia multi-mensageira, oferece aos astrônomos oportunidades raras e cobiçadas de aprender sobre física muito além do domínio de qualquer teste de laboratório.
De acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein, massa e energia distorcem a forma do espaço e do tempo. A curvatura do espaço-tempo determina como os objetos se movem uns em relação aos outros – o que as pessoas experimentam como gravidade.
Ondas gravitacionais são criadas quando objetos massivos como buracos negros ou estrelas de nêutrons se fundem uns com os outros, produzindo grandes mudanças repentinas no espaço. O processo de deformação e flexão do espaço envia ondulações pelo universo como uma onda em um lago tranquilo. Essas ondas viajam em todas as direções a partir de uma perturbação, curvando minuciosamente o espaço enquanto o fazem e mudando levemente a distância entre os objetos em seu caminho.
Quando dois objetos massivos – como um buraco negro ou uma estrela de nêutrons – se aproximam, eles giram rapidamente um ao redor do outro e produzem ondas gravitacionais. O som nesta visualização da NASA representa a frequência das ondas gravitacionais.
Embora os eventos astronômicos que produzem ondas gravitacionais envolvam alguns dos objetos mais massivos do universo, o alongamento e a contração do espaço são infinitamente pequenos. Uma forte onda gravitacional passando pela Via Láctea só pode alterar o diâmetro de toda a galáxia em três pés (um metro).
Embora previsto pela primeira vez por Einstein em 1916, os cientistas daquela época tinham poucas esperanças de medir as pequenas mudanças na distância postuladas pela teoria das ondas gravitacionais.
Por volta do ano 2000, cientistas da Caltech, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e de outras universidades ao redor do mundo terminaram de construir o que é essencialmente a régua mais precisa já construída – o observatório LIGO.
O LIGO é composto por dois observatórios separados, um localizado em Hanford, Washington, e o outro em Livingston, Louisiana. Cada observatório tem a forma de um L gigante com dois braços de 2,5 milhas de comprimento (quatro quilômetros de comprimento) que se estendem do centro da instalação a 90 graus um do outro.
Para medir as ondas gravitacionais, os pesquisadores projetam um laser do centro da instalação até a base do L. Lá, o laser é dividido de forma que um feixe desça por cada braço, reflita em um espelho e retorne à base. Se uma onda gravitacional passar pelos braços enquanto o laser estiver brilhando, os dois feixes retornarão ao centro em momentos ligeiramente diferentes. Ao medir essa diferença, os físicos podem discernir que uma onda gravitacional passou pela instalação.
O LIGO começou a operar no início dos anos 2000, mas não era sensível o suficiente para detectar ondas gravitacionais. Então, em 2010, a equipe do LIGO fechou temporariamente a instalação para realizar atualizações para aumentar a sensibilidade. A versão atualizada do LIGO começou a coletar dados em 2015 e quase imediatamente detectou ondas gravitacionais produzidas pela fusão de dois buracos negros.
Desde 2015, o LIGO completou três corridas de observação. A primeira, corrida O1, durou cerca de quatro meses; o segundo, O2, cerca de nove meses; e o terceiro, O3, durou 11 meses antes que a pandemia de COVID-19 obrigasse o fechamento das instalações. Começando com a corrida O2, o LIGO tem observado em conjunto com um observatório italiano chamado Virgo.
Entre cada execução, os cientistas melhoraram os componentes físicos dos detectores e os métodos de análise de dados. No final da execução O3 em março de 2020, os pesquisadores da colaboração LIGO e Virgo detectaram cerca de 90 ondas gravitacionais da fusão de buracos negros e estrelas de nêutrons.
Os observatórios ainda não atingiram sua máxima sensibilidade de projeto. Portanto, em 2020, os dois observatórios foram fechados para atualizações novamente.
Os cientistas têm trabalhado em muitas melhorias tecnológicas.
Uma atualização particularmente promissora envolveu a adição de uma cavidade óptica de 1.000 pés (300 metros) para melhorar uma técnica chamada compressão. A compressão permite que os cientistas reduzam o ruído do detector usando as propriedades quânticas da luz. Com esta atualização, a equipe do LIGO deve ser capaz de detectar ondas gravitacionais muito mais fracas do que antes.
Meus colegas de equipe e eu somos cientistas de dados na colaboração do LIGO e estamos trabalhando em várias atualizações diferentes para o software usado para processar os dados do LIGO e os algoritmos que reconhecem sinais de ondas gravitacionais nesses dados. Esses algoritmos funcionam procurando padrões que correspondam a modelos teóricos de milhões de possíveis eventos de fusão de buracos negros e estrelas de nêutrons. O algoritmo aprimorado deve ser capaz de identificar mais facilmente os sinais fracos de ondas gravitacionais do ruído de fundo nos dados do que as versões anteriores dos algoritmos.
No início de maio de 2023, o LIGO iniciou um curto teste – chamado de engenharia – para garantir que tudo estava funcionando. Em 18 de maio, o LIGO detectou ondas gravitacionais provavelmente produzidas por uma estrela de nêutrons se fundindo em um buraco negro.
A operação de observação de 20 meses do LIGO 04 começará oficialmente em 24 de maio, e mais tarde será acompanhada por Virgo e um novo observatório japonês – o Kamioka Gravitational Wave Detector, ou KAGRA.
Embora existam muitos objetivos científicos para esta corrida, há um foco particular na detecção e localização de ondas gravitacionais em tempo real. Se a equipe puder identificar um evento de onda gravitacional, descobrir de onde vieram as ondas e alertar outros astrônomos sobre essas descobertas rapidamente, isso permitiria aos astrônomos apontar outros telescópios que coletam luz visível, ondas de rádio ou outros tipos de dados na fonte de a onda gravitacional. Coletar múltiplos canais de informação em um único evento – astrofísica de múltiplos mensageiros – é como adicionar cor e som a um filme mudo em preto e branco e pode fornecer uma compreensão muito mais profunda dos fenômenos astrofísicos.
Os astrônomos observaram apenas um único evento nas ondas gravitacionais e na luz visível até o momento – a fusão de duas estrelas de nêutrons observadas em 2017. Mas, a partir desse único evento, os físicos puderam estudar a expansão do universo e confirmar a origem de alguns dos os eventos mais energéticos do universo, conhecidos como explosões de raios gama.
Com a execução O4, os astrônomos terão acesso aos observatórios de ondas gravitacionais mais sensíveis da história e, com sorte, coletarão mais dados do que nunca. Meus colegas e eu estamos esperançosos de que os próximos meses resultarão em uma – ou talvez muitas – observações multi-mensageiros que ultrapassarão os limites da astrofísica moderna.
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