Detetar ondas gravitacionais a partir da Terra ou do espaço

06 Outubro 2017132

A experiência LIGO conseguiu um feito incrível: detetar ondas gravitacionais. A experiência LISA, fruto de um consórcio europeu, espera levar este conhecimento ainda mais longe.

Há 10 anos, quando tentava falar de ondas gravitacionais perante uma audiência, o físico Vítor Cardoso sentia entre os presentes aquele olhar de: “Claro, mais um a falar de coisas que ninguém viu”. Agora, pode voltar a essas audiências e dizer: “As ondas gravitacionais existem mesmo”. E a atribuição do prémio Nobel da Física 2017 a três dos investigadores envolvidos nesta descoberta veio dar ainda mais visibilidade a esta demonstração.

Vítor Cardoso lidera a equipa de Gravidade no Centra, o Centro Multidisciplinar para Astrofísica do Instituto Superior Técnico, e confessa-se “estranhamente orgulhoso” com este prémio. “Não tanto pelo prémio em si, mas pelo que significa. Há décadas que se procuravam estas ondas”, diz ao Observador.

As ondas gravitacionais fazem distorcer o espaço-tempo, fazendo com que os objetos na Terra possam variar no comprimento, por exemplo. Foi a variação no comprimento dos braços do detetor que demonstraram a existência das ondas. Veja a explicação de Vítor Cardoso.

Lei da Gravitação Universal

Conhecemos bem a força gravítica exercida pela Terra, aquilo que nos mantém os pés presos ao chão e que mantém a Lua em órbita em torno do nosso planeta.

Mas assim como a Terra exerce uma força de atração sobre nós e sobre a Lua, também nós e a Lua atraem a Terra. Claro que quanto maior a massa, maior a força de atração exercida.

A esta força de atração entre todos os objetos do universo chama-se Gravitação Universal.

Tudo começou há mais de 100 anos, em 1915, quando Einstein contrariou Newton. Isaac Newton, um dos mais influentes cientistas de todos os tempos e pai da Lei da Gravitação Universal, afirmava que a geometria do universo era estática. Mais de dois séculos depois, Albert Einstein afirmava, na Teoria da Relatividade Geral, que a geometria do universo podia ser deformada. A matéria e a energia podiam distorcer o universo e o resultado dessas deformações no tecido espaço-tempo seriam as ondas gravitacionais.

“Dado que existe uma velocidade máxima de propagação da informação, a gravidade (o que faz as coisas caírem) também tem uma velocidade. Usando esta perspetiva, ondas gravitacionais são apenas forças gravíticas que viajam como ondas”, explica Vítor Cardoso. E se considerarmos que as ondas gravitacionais são ondas na geometria, então podemos compará-las com as ondas formadas na superfície de um lago quando atiramos uma pedra. E estas ondas viajam a uma velocidade que, segundo Einstein, é a velocidade da luz.

Na Teoria da Relatividade Geral, Albert Einstein descrevia não só as ondas gravitacionais, mas também os buracos negros. Assim como a audiência de Vítor Cardoso duvidava das ondas gravitacionais, muitos investigadores, durante mais de 50 anos, estavam convencidos de que os buracos negros não existiam, refere o site do Nobel. Os buracos negros seriam mais uma solução para as equações de Einstein e não algo que realmente existisse no espaço.

As ondas gravitacionais detetadas pela experiência LIGO resultaram da colisão entre dois buracos negros – Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

A potencial existência de ondas gravitacionais começou a ser cada vez mais aceite a partir do final dos anos 1950, graças a novos cálculos que mostravam que as ondas transportariam energia e, como tal, eram mensuráveis. Nos anos 1970 houve uma demonstração indireta de que as ondas gravitacionais existiriam, mas a observação direta é muito mais difícil. Não é assim tão fácil agitar o tecido espaço-tempo de forma a criar ondas gravitacionais e só eventos muito violentos, como a colisão de dois buracos negros ou de duas estrelas de neutrões, produzem ondas gravitacionais suficientemente grandes para serem medidas.

No final dos anos 1960, o cientista Rainer Weiss, então no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), propôs um método para detetar ondas gravitacionais, um interferómetro laser, cujo protótipo viria a ser construído poucos anos depois. Estava lançada a base para o prémio Nobel da Física que lhe foi atribuído este ano.

Também durante os anos 1970, Kip Thorne, outro dos físicos laureados este ano, desenvolveu um protótipo de um interferómetro para detetar as ondas gravitacionais. Neste caso, o trabalho foi desenvolvido no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech).

A união de esforços das duas equipas, proposta pela Fundação Nacional da Ciência norte-americana (NSF), deu origem à colaboração LIGO — Observatório de Interferometria Laser de Ondas Gravitacionais —, em 1984. O retorno deste esforço de equipa, que conta atualmente com mais de mil membros, viria a 14 de setembro de 2015, quando as ondas gravitacionais foram detetadas pela primeira vez. O próprio Vítor Cardoso já fez parte desta coligação quando estava na Universidade do Mississipi.

“Saber que ondas gravitacionais existem e que obedecem às leis de Einstein é como ver o Sol a brilhar e saber o que o faz brilhar. É um legado da humanidade para as gerações futuras e quem sabe até para outras espécies. O valor é incalculável.”

O grupo de Gravidade do IST, não faz parte da colaboração LIGO, mas vai beneficiar do trabalho desenvolvido por este grupo. Com os resultados alcançados com a deteção das ondas gravitacionais, Vítor Cardoso espera responder a perguntas como: “Como é que buracos negros se movem na teoria de Einstein? Como se pode medir a massa de buracos negros usando as ondas gravitacionais? Como é que se pode saber se estamos mesmo a ver buracos negros? É possível conhecer o ambiente em que estes buracos negros estão a colidir?”.

O prémio Nobel não afetará o trabalho do investigador, mas trará mais visibilidade à área, atraindo mais financiamento e jovens investigadores. Agora, Vítor Cardoso quer concentrar-se nos próximos passos que passam por confirmar se as ondas detetadas foram mesmo provocadas por buracos negros e por perceber de que forma as ondas afetam o movimento dos corpos. Segundo o investigador do Centra, as ondas gravitacionais podem ainda ter outra utilidade: quantificar a existência de matéria escura no espaço.

Saiba mais sobre como a Astronomia das Ondas Gravitacionais funciona na Terra e no Espaço.

Mas até uma máquina com tão elevado potencial tem as suas limitações. Um evento terá de ser extraordinariamente violento para criar ondas com energia suficiente para chegarem à Terra. Mesmo assim, as ondas detetadas chegam tão enfraquecidas que não são mais do que um ténue sinal.

Agora imagine que alguém tenta ouvir frases sussurradas no meio de uma manifestação barulhenta. É mais ou menos o que acontece com o detetor LIGO, que tem de detetar as suaves vibrações das ondas gravitacionais no meio de todas as vibrações a que está sujeita a Terra, como as vibrações sísmicas. Os super-amortecedores criados para este observatório foram uma ajuda, mas um novo projeto levará um detetor deste tipo para longe da Terra.

Consórcio GWerse

O consórcio europeu GWerse (Gravitational Waves of the Universe) está dividido em três grandes grupos, conforme explica Vítor Cardoso, líder do consórcio:

  1. Estudar o nascimento de buracos negros e estrelas de neutrões e perceber quantos destes astros colidem por ano;
  2. Detetar de forma muito precisa as ondas gravitacionais emitidas quando os buracos negros e estrelas de neutrões chocam;
  3. Decifrar os dados obtidos numa deteção: A colisão foi mesmo de buracos negros?Que massa tinham? Estes buracos negros respeitam a teoria de Einstein? Qual a velocidade das ondas gravitacionais?

O detetor LISA (Laser Interferometer Space Antenna) vai para o espaço, seguindo a Terra no seu movimento em torno do Sol. O consórcio LISA, impulsionado pela Agência Espacial Europeia, deverá lançar o detetor no espaço em 2034. E Portugal fará parte desta colaboração. “É muito maior — tem braços cerca de um milhão de vezes maiores — e vai observar buracos negros um milhão de vezes maiores, como os que se encontram no centro das galáxias”, diz Vítor Cardoso.

O investigador lidera ainda um consórcio europeu financiado pelo programa comunitário Horizonte 2020 – o GWerse (Gravitational Waves of the Universe) – que pretende usar os dados do LIGO e do LISA para perceber que informação contém. Neste consórcio de mais de 20 países, Portugal estará representado pelo Instituto Superior Técnico e pela Universidade de Aveiro.

“O Centra está completamente dedicado à ciência que o LISA vai fazer e é parte importante do consórcio europeu”, reforça o investigador. “A nível pessoal, o LISA é determinante, dado que muita da minha investigação e principais contribuições estão intrinsecamente ligadas ao LISA. A existência de buracos negros, espectroscopia de buracos negros, limites a matéria escura usando ondas gravitacionais, é tudo ciência que apenas a LISA consegue fazer.”

Correção: Vítor Cardoso é líder do consórcio europeu GWerse e não da colaboração LISA.
Atualizado, dia 8 de outubro, às 13h30, com informação sobre o consórcio GWerse.

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