1. O que são ondas gravitacionais?

  2. As ondas gravitacionais são deformações no tecido espaço-tempo do universo, cuja existência tinha sido prevista na Teoria da Relatividade Geral de Einstein. De acordo com o físico alemão, a matéria e a energia podiam distorcer o universo. Um corpo de grande massa podia deformar a geometria do universo, da mesma forma que uma bola de ferro deforma uma almofada quando pousada em cima dela. A curva que esse corpo deixa na geometria do universo seria a gravidade.

     

  3. Porque é que as ondas são tão importantes?

  4. Quando as ondas gravitacionais foram descobertas, a Teoria da Relatividade Geral de Einstein foi comprovada. Ao longo dos últimos 50 anos, vários cientistas dedicaram-se à procura do único ponto de interrogação que não permitia ter certezas sobre se o físico alemão estava certo quando contrariou Newton, que dizia que a geometria do universo era estática.

    Este foi um passo enorme para a astrofísica. Grande parte do que sabemos sobre o universo vem do estudo da luz em todo o espetro eletromagnético (ondas rádio, infravermelhos, visível, ultravioleta, raios-X e raios gama). Agora que as ondas gravitacionais foram encontradas, os cientistas podem ter encontrado uma nova ferramenta para estudar o funcionamento do universo.

  5. Como funcionam as ondas gravitacionais?

  6. Se dois corpos de grande massa (dois buracos negros ou, em teoria, duas estrelas de neutrões) chocarem, formar-se-ão ondas no tecido espaço-tempo (como se de ondas sísmicas se tratassem), que viajam à velocidade da luz (300.000.000 metros por segundo, aproximadamente) pelo vazio. Essas são as ondas gravitacionais, capazes de alterar o fluxo do tempo. De acordo com as explicações dos cientistas do LIGO, o observatório que as detetou, as ondas gravitacionais podem viajar numa direção, comprimindo o universo, e na direção inversa, com o efeito contrário.

    Em suma, a matéria tem mesmo capacidade para alterar o fluxo do tempo e a geometria do espaço. A imagem seguinte, cedida pela NASA, ilustra essa situação.

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  7. Que materiais é que os cientistas utilizaram para encontrar as ondas gravitacionais?

  8. O relatório publicado esta quinta-feira no Physical Review Letters foi assinado por mais de 1000 autores. Três deles, que mais estiveram envolvidos na descoberta das ondas gravitacionais, foram Kip Thorne (Instituto da Tecnologia de Califórnia), Rainer Weiss (Instituto da Tecnologia de Massachusetts) e Ronald Drever, um cientista reformado da Caltech. Todos tiveram acesso ao telescópio do Observatório de Interferometria Laser de Ondas Gravitacionais (LIGO), nos Estados Unidos da América.

    O LIGO é formado por dois tubos idênticos (com 4 quilómetros de comprimento) montados em forma de “L”. Os cientistas enviam um raio laser para dentro dos tubos: quando esse raio chega aos espelhos que cada tubo tem numa das extremidades, ele é enviado para um detetor. O normal é que os lasers de ambos os tubos cheguem ao detetor perfeitamente alinhados, anulando-se um ao outro. Eis uma imagem aérea do LIGO, disponibilizada pela Caltech, onde pode ver o tubo e o edifício onde se realiza a deteção a meio.

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    O material do LIGO consegue detetar ondas gravitacionais num leque de 10 a 1000 ciclos (ou seja, 10 a 1000 Hz de energia) por segundo. Se os cientistas montassem um sistema semelhante no espaço, poderíamos detetar ondas de 0.0001 a 0.1 Hz de energia. Esse é um projeto que a NASA e a ESA estão a desenvolver.

  9. Como é que as ondas foram encontradas?

  10. Dois buracos negros colidiram a uma distância de mil milhões de anos-luz da Terra, algo que resultou no lançamento de ondas gravitacionais pelo espaço. Quer ouvir o som dessa colisão? Está aqui em baixo.

    Quando o LIGO detetou as ondas gravitacionais resultantes da colisão de dois buracos negros (que têm uma massa muito grande), o comprimento dos tubos alterou-se: enquanto um se contraiu, o outro expandiu, até que o efeito da onda gravitacional deixasse de se sentir. Enquanto a onda alterou o comprimento dos tubos, os raios já não chegaram alinhados ao detetor e, portanto não se anularam. Foi assim que os cientistas souberam que houve a interferência de uma onda gravitacional. Isto aconteceu em setembro de 2015.

  11. Como eram estes buracos negros?

  12. Um buraco negro é uma deformação do tecido espaço-tempo a que nada, nem mesmo a luz, pode escapar. Tanto quanto os cientistas sabem, eles formam-se quando uma supernova (nome dado aos corpos celestes que surgem aquando da explosão de uma estrela com uma massa igual ou maior a 10 sóis) explode.

    Os cientistas do LIGO dizem que estes buracos negros tinham uma massa equivalente a entre 29 e 36 vezes a do Sol. Tendo em conta a Teoria da Relatividade Geral de Einstein, os dois buracos negros começaram a aproximar-se há milhões e milhões de anos, mas essa aproximação tornou-se gradualmente mais rápida, principalmente nos últimos momentos.

    Na última fração de segundos eles colidiram a metade da velocidade da luz, formando um buraco negro ainda mais massivo (com 62 massas solares) e transformando parte da sua matéria em energia. De acordo com os astrónomos do LIGO, a matéria envolvida nessa conversão (e que obedece à famosa fórmula de Einstein) corresponderia a três vezes a massa do Sol. Quando essa massa foi convertida em energia, as ondas gravitacionais deformaram o tecido espaço-tempo, chegando ao sistema LIGO a 14 de setembro de 2015 às 10h50 de Portugal (5h51 EDT).

    Aqui em baixo está um esquema onde pode ver a localização aproximada do local de onde tiveram origem as ondas gravitacionais. A imagem, que mostra o céu do hemisfério sul, foi disponibilizada pelo LIGO.

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  13. Há quanto tempo estávamos à procura das ondas gravitacionais?

  14. A Teoria da Relatividade Geral foi formulada por Einstein em 1915 e veio colocar um grande ponto de interrogação sobre a validade das afirmações de Newton, que há 200 anos tinha afirmado que a geometria do universo era estática. De acordo com Enstein (a imagem aqui em baixo, de Sasha/Getty Images), a gravidade é uma deformação no tecido espaço-tempo provocada pela massa ou pela energia.

    February 1931: Albert Einstein (1879-1955), German-born American physicist and Nobel laureate, best known as the creator of the special and general theories of relativity and for his bold hypothesis concerning the particle nature of light. He is perhaps the best-known scientist of the 20th century. (Photo by Sasha/Getty Images)

    Um ano depois, Einstein previu que, se dois corpos de grande massa orbitassem um à volta do outro (ou colidissem), em determinadas condições, acabariam por provocar uma ondulação no tecido espaço-tempo: eram as ondas gravitacionais. Vinte anos depois, em 1936, o cientista ainda tinha dúvidas sobre se essa ondulação existia mesmo. Mas acabou por reafirmar a sua teoria.

    A partir daí, vários cientistas dedicaram os seus estudos à busca pelas ondas gravitacionais. Alguns deles afirmaram ter descoberto ondas gravitacionais ao longo da História, mas só agora temos provas fiáveis da sua existência. Eis a caminhada da astrofísica à procura de confirmar a Teoria da Relatividade Geral:

    • Em 1962, os físicos russos M. E. Gertsenshtein e V. I. Pustovoit publicaram um relatório onde descreviam um método ótico para deteção de ondas gravitacionais, mas nunca funcionou.
    • Em 1969, o físico Joseph Weber (imagem mais abaixo) afirma ter descoberto as ondas gravitacionais detetando-as a partir de um cilindro de alumínio gigante. Apesar de vários cientistas terem tentado replicar as condições da experiência de Weber, nenhum conseguiu voltar a encontrar as ondas. As afirmações de Weber foram descredibilizadas.

    weber

    • Em 1972, o cientista Rainer Weiss (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) escreve um relatório independente onde propõe outro método ótico para detetar ondas gravitacionais.
    • Em 1974, os astrónomos descobrem uma pulsar (estrelas de neutrões muito pequenas e densas com um campo gravitacional extremamente grande, provavelmente resultantes do colapso de uma estrela) a orbitar uma outra estrela de neutrões. Esta última parecia ir desacelerando à conta da radiação gravitacional. Esta descoberta valeu um Nobel da Física a Joseph H. Taylor Jr. (à esquerda) e Russell A. Hulse (à direita) em 1993.

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    • Em 1979, os cientistas começam a organizar o projeto do Observatório de Interferometria Laser de Ondas Gravitacionais (LIGO). A Fundação Nacional da Ciência (NSF) funda o Instituto de Tecnologia da Califórnia.
    • Em 1990, a NSF investe 250 milhões de dólares (222 milhões de euros) nas experiências do LIGO.
    • Em 1994 começam as construções do LIGO em Washington e no Louisiana.
    • Em 1995, um outro detetor de ondas gravitacionais (GEO600) começa a ser construído na Alemanha. Este detetor vai trabalhar em parceria com o LIGO e começará a recolher dados em 2002.
    • Em 1997, a Itália recebe o detetor de ondas gravitacionais VIRGO, que entra em operações em 2007.
    • Entre 2010 e 2015, os materiais do LIGO são atualizados após um investimento de 205 milhões de dólares (182 milhões de euros).
    • Em setembro de 2015, os dados do LIGO começam a ser recolhidos com recurso a materiais mais sofisticados.
    • A 11 de fevereiro de 2016, os cientistas do LIGO anunciam a descoberta de ondas gravitacionais, confirmando a Teoria da Relatividade Geral de Einstein. Uma imagem da conferência de imprensa aqui em baixo (créditos: SAUL LOEB/AFP/Getty Images)

    A screen displays a diagram showing the ripples in the fabric of spacetime called gravitational waves that scientists have observed for the first time by the LIGO detector, confirming a prediction of Albert Einstein's theory of relativity, during a press conference at the National Press Club in Washington, DC, February 11, 2016. The machines that gave scientists their first-ever glimpse at gravitational waves are the most advanced detectors ever built for sensing tiny vibrations in the universe.The two US-based underground detectors are known as the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, or LIGO for short. / AFP / SAUL LOEB (Photo credit should read SAUL LOEB/AFP/Getty Images)