Em 2015, dois observatórios nos Estados Unidos registraram um sinal produzido pela fusão de buracos negros a aproximadamente 1,3 bilhão de anos-luz da Terra. A descoberta confirmou uma previsão centenária de Albert Einstein e inaugurou uma nova maneira de investigar o universo.
Em 14 de setembro de 2015, instrumentos extremamente sensíveis instalados nos Estados Unidos registraram uma alteração quase imperceptível nas distâncias entre seus espelhos.
O sinal durou apenas uma fração de segundo. Sua origem, entretanto, estava muito além da Terra: dois buracos negros haviam se aproximado em uma espiral gravitacional até se fundirem, liberando uma quantidade extraordinária de energia.
1. O que são ondas gravitacionais?
Segundo a relatividade geral, a gravidade não é apenas uma força de atração entre objetos. Ela também pode ser compreendida como uma consequência da curvatura do espaço-tempo provocada pela presença de massa e energia.
Quando objetos muito massivos aceleram de determinadas maneiras, podem produzir perturbações nessa geometria. Essas perturbações se propagam pelo universo à velocidade da luz e recebem o nome de ondas gravitacionais.
Imagine dois buracos negros orbitando um ao outro. À medida que emitem ondas gravitacionais, o sistema perde energia orbital. Os objetos se aproximam progressivamente, giram cada vez mais rápido e podem acabar se fundindo.
Durante esse processo, as ondas transportam informações sobre o movimento e as características dos corpos envolvidos.
Einstein previu a existência dessas ondas em 1916. Entretanto, detectá-las diretamente parecia uma tarefa extraordinariamente difícil: quando chegam à Terra, as deformações que produzem são extremamente pequenas.
Referência: LIGO — Primeira detecção de ondas gravitacionais.
2. O sinal que atravessou 1,3 bilhão de anos-luz
(Gráfico do sinal GW150914 registrado pelos dois detectores em 2015.)
A primeira detecção direta recebeu a identificação GW150914.
O sinal foi registrado pelos dois observatórios do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), localizados em Hanford, no estado de Washington, e Livingston, na Louisiana.
A análise revelou que sua origem era a fusão de dois buracos negros com massas estimadas em aproximadamente 36 e 29 vezes a massa do Sol.
O evento ocorreu a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz da Terra. Isso significa que as ondas detectadas em 2015 haviam sido produzidas quando o universo era aproximadamente 1,3 bilhão de anos mais jovem.
O sinal apresentou uma característica importante: sua frequência aumentou rapidamente conforme os buracos negros se aproximavam, até atingir o momento da fusão.
Esse comportamento correspondia às previsões matemáticas da relatividade geral.
A descoberta foi anunciada oficialmente em 11 de fevereiro de 2016 e publicada na revista Physical Review Letters.
Referência: Abbott et al. (2016) — Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger.
3. Como o LIGO conseguiu medir uma deformação tão pequena?
(Fotografia aérea do observatório LIGO Hanford, mostrando seus braços perpendiculares.)
O LIGO utiliza uma técnica chamada interferometria a laser.
Cada observatório possui dois braços perpendiculares de quatro quilômetros de comprimento. Um feixe de laser é dividido em dois, e cada parte percorre um dos braços, refletindo repetidamente entre espelhos antes de retornar ao ponto de encontro.
Quando os feixes se recombinam, produzem um padrão de interferência extremamente sensível a diferenças no percurso da luz.
A passagem de uma onda gravitacional pode alterar ligeiramente as distâncias relativas entre os espelhos. Essa mudança modifica o padrão de interferência e permite identificar o sinal.
No evento GW150914, a alteração medida correspondia a uma deformação relativa da ordem de 10⁻²¹. Em uma distância de quatro quilômetros, isso representa uma variação muito menor que o diâmetro de um próton.
Detectar um efeito dessa magnitude exige controlar vibrações do solo, variações térmicas e diversas fontes de ruído instrumental.
A confiabilidade da descoberta também dependeu da comparação entre os dois observatórios, separados por milhares de quilômetros. Ambos registraram sinais compatíveis, com uma diferença de chegada de aproximadamente sete milissegundos.
Além disso, os pesquisadores compararam os dados com modelos matemáticos de fusões de buracos negros e avaliaram a possibilidade de o sinal ser causado por ruído.
Referências: LIGO — Como funciona o interferômetro e GWOSC — Dados científicos de GW150914.
4. O que as ondas gravitacionais revelaram sobre os buracos negros?
(Simulação científica da fusão de dois buracos negros.)
As ondas gravitacionais carregam informações sobre os objetos que as produziram.
Ao analisar a frequência, a amplitude e a evolução do sinal, os cientistas conseguem estimar características como as massas dos corpos, suas rotações e a dinâmica da fusão.
No evento GW150914, os dois buracos negros, com aproximadamente 36 e 29 massas solares, formaram um único buraco negro de cerca de 62 massas solares.
A diferença, equivalente a aproximadamente três massas solares, foi convertida em energia irradiada na forma de ondas gravitacionais.
Grande parte dessa energia foi liberada em uma fração de segundo.
Os resultados também indicaram que o buraco negro resultante estava em rotação.
A descoberta demonstrou que sistemas binários de buracos negros estelares realmente existem e podem se fundir, produzindo sinais mensuráveis a enormes distâncias.
Referência: LIGO — Resultados científicos da primeira detecção.
5. Uma nova maneira de observar o universo
(Ilustração científica da fusão de estrelas de nêutrons associada ao evento GW170817.)
Durante séculos, a astronomia dependeu principalmente da observação da luz e de outras formas de radiação eletromagnética.
As ondas gravitacionais acrescentaram uma ferramenta diferente: permitem investigar fenômenos por meio das alterações que produzem no próprio espaço-tempo.
Em 17 de agosto de 2017, uma nova descoberta demonstrou o potencial dessa técnica.
Os observatórios LIGO e Virgo detectaram ondas gravitacionais produzidas pela fusão de duas estrelas de nêutrons, no evento conhecido como GW170817.
Diferentemente da primeira fusão de buracos negros observada em 2015, esse acontecimento também foi acompanhado por telescópios que registraram radiação eletromagnética associada ao evento.
A combinação das observações permitiu estudar a colisão por diferentes meios e forneceu evidências importantes sobre a formação de elementos pesados em fusões de estrelas de nêutrons.
Esse método recebeu o nome de astronomia multimensageira: o estudo de um mesmo fenômeno cósmico a partir de diferentes tipos de sinais.
Hoje, as ondas gravitacionais fazem parte das ferramentas utilizadas para investigar a física de objetos compactos, testar a relatividade geral e compreender eventos extremos do universo.
Referência: LIGO — A descoberta GW170817.
Uma nova janela para o cosmos
A detecção de 2015 representou muito mais do que a confirmação de uma previsão teórica.
Ela demonstrou que fenômenos ocorridos a distâncias extraordinárias podem ser investigados por meio de alterações minúsculas no espaço-tempo.
O avanço foi possível graças à combinação de teoria física, engenharia de precisão, processamento de dados e colaboração científica internacional.
Durante aproximadamente um século, as ondas gravitacionais foram estudadas principalmente por meio de equações e evidências indiretas. Hoje, elas são observadas por instrumentos construídos especificamente para detectá-las.
A humanidade não passou apenas a observar o universo de outra maneira. Passou a medir fenômenos que antes conhecia principalmente pelas previsões da física.
Nota editorial
As ondas gravitacionais são um fenômeno estabelecido da relatividade geral, confirmado por observações experimentais. A primeira detecção direta ocorreu em 2015, mas evidências indiretas de sua existência já haviam sido obtidas anteriormente, especialmente por meio do estudo de sistemas binários de pulsares.
Os valores apresentados para massas, distâncias e energia são estimativas científicas sujeitas a margens de incerteza. As imagens de fusões de buracos negros geralmente são simulações baseadas em modelos físicos, não fotografias diretas desses eventos.
Divisão 7 — Ciência além do horizonte.
Per Vitam, Ad Astra.