Grandes descobertas científicas
Primeira detecção de ondas gravitacionais
Em poucas palavras
Ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo, previstas pela relatividade geral de Einstein, geradas quando massas enormes aceleram de modo violento. Em 14 de setembro de 2015, os detectores do LIGO, nos Estados Unidos, registraram pela primeira vez uma delas, produzida pela fusão de dois buracos negros muito distantes. O resultado foi anunciado em fevereiro de 2016.
Status do conhecimento: Consolidado
Fato ou mecanismo bem estabelecido, confirmado por observação e experimento repetidos.
A detecção do sinal GW150914 e sua interpretação como fusão de dois buracos negros são resultados consolidados e confirmados por detecções posteriores. Os valores de massa e distância citados são estimativas com incertezas, aqui arredondadas.
Aprofundamento científico
O que são ondas gravitacionais
Na relatividade geral, a gravidade é descrita como a curvatura do espaço-tempo causada por massa e energia. Quando objetos massivos mudam de movimento de forma assimétrica, como dois corpos em órbita cada vez mais rápida, a perturbação se propaga em forma de ondas à velocidade da luz. Einstein previu esse efeito em 1916.
Ao passar por um lugar, uma onda gravitacional estica o espaço numa direção e o comprime na direção perpendicular, alternadamente. Os efeitos são extremamente pequenos: a variação relativa de comprimento medida no primeiro evento foi da ordem de 10 elevado a menos 21, ou seja, muito menor que o diâmetro de um próton em relação a um braço de quilômetros.
Como o LIGO mede
O LIGO usa interferometria a laser. Cada detector tem dois braços perpendiculares com 4 quilômetros de comprimento. Um feixe de laser é dividido, percorre os dois braços, é refletido por espelhos e volta para se recombinar. Se os braços mantêm o mesmo comprimento, a recombinação resulta em um padrão estável. Se uma onda gravitacional altera os braços de modo diferente, o padrão de interferência muda.
Há dois detectores, em Hanford, no estado de Washington, e em Livingston, na Louisiana. Ter dois instrumentos separados por milhares de quilômetros ajuda a distinguir um sinal real de ruídos locais, já que a onda deve aparecer nos dois com diferença de tempo de poucos milissegundos, compatível com a velocidade da luz.
O evento GW150914
O sinal detectado em 14 de setembro de 2015 recebeu o nome GW150914, formado pela data. A análise indicou a fusão de dois buracos negros, com cerca de 36 e 29 vezes a massa do Sol, em um buraco negro final com cerca de 62 massas solares. A diferença, em torno de três massas solares, foi irradiada como energia em ondas gravitacionais, em uma fração de segundo. A distância estimada foi de aproximadamente 1,3 bilhão de anos-luz.
O sinal teve um padrão característico: frequência e amplitude subindo rapidamente à medida que os buracos negros se aproximavam, seguidas de um breve toque final. Esse formato coincidiu com as previsões de simulações da relatividade geral. Isso é bem estabelecido e foi corroborado por muitas detecções posteriores.
Por que a detecção importa
Foi a primeira observação direta de ondas gravitacionais e a primeira de uma fusão de buracos negros. Até então, só havia evidência indireta, vinda da diminuição da órbita de um sistema de pulsares binários, trabalho que valeu o Nobel de Física de 1993 a Russell Hulse e Joseph Taylor.
A detecção abriu uma nova forma de observar o universo, além da luz e de outras radiações eletromagnéticas. Em 2017, Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne receberam o Nobel de Física por contribuições decisivas ao LIGO e à observação de ondas gravitacionais. Medidas desse tipo também permitem testar a relatividade geral em condições extremas, onde, até agora, ela continua consistente com as observações.
Diagrama
- Dois buracos negros orbitamEles perdem energia ao emitir ondas gravitacionais.
- A órbita se fechaEles giram cada vez mais rápido e se aproximam.
- Fusão em um só objetoA emissão de ondas atinge o máximo em uma fração de segundo.
- Onda viaja pelo espaçoA perturbação percorre bilhões de anos-luz até a Terra.
- Braços do LIGO mudamA variação de comprimento altera o padrão de interferência do laser.
Sequência simplificada do evento GW150914.
Tabelas e comparações
| Grandeza | Valor aproximado |
|---|---|
| Data da detecção | 14 de setembro de 2015 |
| Massa de um dos buracos negros | Cerca de 36 massas solares |
| Massa do outro | Cerca de 29 massas solares |
| Massa do buraco negro final | Cerca de 62 massas solares |
| Distância | Cerca de 1,3 bilhão de anos-luz |
| Comprimento dos braços do LIGO | 4 quilômetros |
Exemplos do cotidiano
- Dois patinadores girando de mãos dadas, cada vez mais rápido, são uma analogia fraca, mas útil, de um sistema binário cuja órbita se fecha ao perder energia.
- Ondulações na superfície de um lago ilustram a ideia de uma perturbação que se espalha, embora ondas gravitacionais não precisem de meio material.
- Um interferômetro compara dois caminhos de luz, princípio também usado em instrumentos de medição de precisão em laboratórios.
- Sinais detectados pelo LIGO são analisados por comparação com modelos de formas de onda calculados a partir da relatividade geral.
Conceitos relacionados
- Espaço-tempo
- Estrutura de quatro dimensões, três de espaço e uma de tempo, cuja curvatura descreve a gravidade na relatividade geral.
- Interferômetro
- Instrumento que divide um feixe de luz em dois caminhos e compara os resultados ao recombiná-los, detectando diferenças muito pequenas de comprimento.
- Buraco negro
- Região onde a gravidade é tão intensa que nada, nem a luz, escapa depois de cruzar certo limite.
- Massa solar
- Unidade de massa igual à massa do Sol, usada em astronomia para comparar objetos celestes.
Curiosidades
- O sinal GW150914 durou cerca de 0,2 segundo na faixa em que os detectores o registraram.
- A energia irradiada na fusão foi, por um instante, muito superior à potência luminosa somada de todas as estrelas do universo observável, segundo a análise publicada pela colaboração.
- O anúncio público do resultado ocorreu em 11 de fevereiro de 2016.
Contexto histórico
Albert Einstein previu a existência de ondas gravitacionais em 1916, como consequência da teoria da relatividade geral. Por décadas, a detecção direta pareceu além das possibilidades técnicas, e a primeira evidência, indireta, veio da observação de um sistema de pulsar binário por Hulse e Taylor.
O projeto LIGO foi concebido por Rainer Weiss, Kip Thorne e Ronald Drever, e consolidado com a liderança de Barry Barish. O sinal GW150914 foi registrado em 14 de setembro de 2015, logo após uma melhoria dos detectores, e anunciado em fevereiro de 2016 pelas colaborações LIGO e Virgo. O Nobel de Física de 2017 reconheceu Weiss, Barish e Thorne.
Em resumo
- Ondas gravitacionais são ondulações do espaço-tempo previstas por Einstein em 1916.
- O LIGO as detectou pela primeira vez em 14 de setembro de 2015, com anúncio em 2016.
- O sinal veio da fusão de dois buracos negros a mais de um bilhão de anos-luz.
- A detecção inaugurou um novo modo de observar o universo e rendeu o Nobel de 2017.
Fontes
- Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger — LIGO Scientific Collaboration e Virgo Collaboration, Physical Review Letters, 2016, Artigo científico
- LIGO Laboratory — Caltech e MIT, Institucional
- The Nobel Prize in Physics 2017 — Nobel Prize Outreach, Institucional
- Gravitational Waves — NASA, Institucional
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