Explorando os mistérios das ondas gravitacionais: Um olhar profundo no Universo
Até recentemente, as ondas gravitacionais poderiam ter sido apenas uma criação da imaginação de Einstein. Antes de serem detectadas, essas ondulações no espaço-tempo existiam apenas na teoria geral da relatividade do físico, até onde os cientistas sabiam.
Atualmente, os pesquisadores têm não apenas uma, mas duas maneiras de detectar essas ondas. E estão em busca de mais. O estudo das ondas gravitacionais está prosperando, diz o astrofísico Karan Jani da Universidade Vanderbilt em Nashville. “Isso é simplesmente notável. Nenhum campo que eu possa pensar na física fundamental viu um progresso tão rápido.”
Assim como a luz se apresenta em um espectro, ou uma variedade de comprimentos de onda, o mesmo acontece com as ondas gravitacionais. Diferentes comprimentos de onda apontam para diferentes tipos de origens cósmicas e exigem diferentes tipos de detectores.
Ondas gravitacionais com comprimentos de onda de alguns milhares de quilômetros, como as detectadas pelo LIGO nos Estados Unidos e seus parceiros Virgo na Itália e KAGRA no Japão, vêm principalmente de fusões de pares de buracos negros com cerca de 10 vezes a massa do sol, ou de colisões de objetos cósmicos densos chamados estrelas de nêutrons (SN: 2/11/16). Esses detectores também podem identificar ondas de certos tipos de supernovas – estrelas em explosão – e de estrelas de nêutrons girando rapidamente, chamadas pulsares (SN: 5/6/19).
Por outro lado, imensas ondulações que se estendem por anos-luz são consideradas criadas por pares de buracos negros gigantes com massas bilhões de vezes a do sol. Em junho, os cientistas relataram as primeiras evidências sólidas para esses tipos de ondas, transformando toda a galáxia em um detector, observando como as ondas afetavam o momento das piscadas regulares dos pulsares espalhados por toda a Via Láctea (SN: 6/28/23).
Com o equivalente a pequenas ondulações e grandes tsunamis em mãos, os físicos agora esperam mergulhar em um vasto oceano cósmico de ondas gravitacionais de todos os tipos e tamanhos. Essas ondulações podem revelar novos detalhes sobre a vida secreta de objetos exóticos, como buracos negros, e aspectos desconhecidos do cosmos.
“Ainda há muitas lacunas em nossa cobertura do espectro de ondas gravitacionais”, diz o físico Jason Hogan da Universidade Stanford. Mas faz sentido cobrir todas as bases, diz ele. “Quem sabe o que mais podemos encontrar?”
Esta busca pela captura do conjunto completo de ondas gravitacionais do universo poderia levar observatórios para o espaço profundo ou para a Lua, para o reino atômico e além.
Aqui está uma amostra de algumas das fronteiras que os cientistas estão observando em busca de novos tipos de ondas.
Vá para o espaço profundo
O Laser Interferometer Space Antenna, ou LISA, soa implausível à primeira vista. Um trio de espaçonaves, dispostas em um triângulo com lados de 2,5 milhões de quilômetros, enviaria lasers umas às outras enquanto orbitam o sol. Mas a missão da Agência Espacial Europeia, planejada para meados da década de 2030, não é apenas uma fantasia (SN: 6/20/17). É a melhor esperança de muitos cientistas para adentrar novos domínios de ondas gravitacionais.
“LISA é um experimento de tirar o fôlego”, diz o físico teórico Diego Blas Temiño da Universitat Autònoma de Barcelona e do Institut de Física d’Altes Energies.
Conforme uma onda gravitacional passa, o LISA detectaria o estiramento e a compressão dos lados do triângulo, com base em como os feixes de laser interferem uns com os outros nos cantos do triângulo. Um experimento de prova de conceito com uma única espaçonave, o LISA Pathfinder, voou em 2015 e demonstrou a viabilidade da técnica (SN: 6/7/16).
Geralmente, para capturar comprimentos de onda mais longos de ondas gravitacionais, é necessário um detector maior. O LISA permitiria aos cientistas ver comprimentos de onda de milhões de quilômetros. Isso significa que o LISA poderia detectar buracos negros em órbita que seriam enormes, mas moderadamente, com massas de milhões de vezes a do sol em vez de bilhões. Vá para a Lua Com o programa Artemis da NASA visando um retorno à Lua, os cientistas estão olhando para o vizinho da Terra em busca de inspiração (SN: 11/16/22). Um experimento proposto chamado Laser Interferometer Lunar Antenna, ou LILA, colocaria um detector de ondas gravitacionais na Lua.
Sem o movimento humano e outras agitações terrestres, as ondas gravitacionais deveriam ser mais fáceis de detectar na Lua. “É quase como uma quietude espiritual”, diz Jani. “Se você quiser ouvir os sons do universo, não há lugar melhor no sistema solar do que a nossa lua.”
Assim como o LISA, o LILA teria três estações transmitindo lasers em um triângulo, embora os lados deste seriam cerca de 10 quilômetros de comprimento. Ele poderia captar comprimentos de onda de dezenas ou centenas de milhares de quilômetros. Isso preencheria uma lacuna entre os comprimentos de onda medidos pelo LISA no espaço e pelo LIGO na Terra.
Porque os objetos em órbita, como buracos negros, aceleram à medida que se aproximam da fusão, ao longo do tempo eles emitem ondas gravitacionais com comprimentos de onda cada vez mais curtos. Isso significa que o LILA poderia observar buracos negros se aproximando um do outro durante as semanas antes de se fundirem, dando aos cientistas um alerta de que uma colisão está prestes a ocorrer. Em seguida, quando os comprimentos de onda ficarem curtos o suficiente, observatórios terrestres como o LIGO detectariam o sinal, capturando o momento do impacto.
Uma opção baseada na Lua diferente usaria a medição a laser lunar – uma técnica pela qual os cientistas medem a distância da Terra à Lua com lasers, graças aos refletores colocados na superfície da Lua durante as missões lunares anteriores.
SIMON BARKE/UNIVERSITY OF FLORIDA (CC BY 4.0)
O método poderia detectar ondas agitando a Terra e a Lua, com comprimentos de onda entre os vistos pelos métodos de sincronização de pulsares e pelo LISA, Blas Temiño e um colega relataram em Physical Review D em 2022. Mas essa técnica exigiria refletores aprimorados na Lua – outra razão para retornar.
O LISA, o LIGO e outros observatórios a laser medem o estiramento e a compressão das ondas gravitacionais monitorando como os feixes de laser interferem após percorrerem os longos braços de seus detectores. Mas uma técnica proposta segue um caminho diferente.
Em vez de procurar pequenas mudanças nos comprimentos dos braços do detector à medida que as ondas gravitacionais passam, essa nova técnica mantém um olho na distância entre duas nuvens de átomos. As propriedades quânticas dos átomos significam que eles se comportam como ondas que podem interferir consigo mesmos. Se uma onda gravitacional passar, ela altera a distância entre as nuvens de átomos. Os cientistas podem deduzir essa mudança na distância com base nessa interferência quântica.
A técnica poderia revelar ondas gravitacionais com comprimentos de onda entre os detectáveis pelo LIGO e pelo LISA, diz Hogan. Ele faz parte de um esforço para construir um detector protótipo, chamado MAGIS-100, no Fermilab em Batavia, Illinois.
Interferômetros de átomos nunca foram usados para medir ondas gravitacionais, embora possam detectar a gravidade da Terra e testar regras fundamentais da física (SN: 2/28/22; SN: 10/28/20). A ideia é “totalmente futurista”, diz Blas Temiño.
Volte no tempo
VANDERBILT LUNAR LABS/VANDERBILT UNIVERSITY
Outro esforço visa localizar ondas gravitacionais dos momentos mais antigos do universo. Tais ondas teriam sido produzidas durante a inflação, os momentos após o Big Bang, quando o universo expandiu rapidamente. Essas ondas teriam comprimentos de onda maiores do que qualquer outro já observado – de até 1021 quilômetros, ou 1 sextilhão de quilômetros.
Mas a busca teve um falso começo em 2014, quando cientistas do experimento BICEP2 anunciaram a detecção de ondas gravitacionais impressas em padrões de turbilhão na luz mais antiga do universo, o fundo cósmico de micro-ondas, ou CMB. A alegação foi posteriormente rejeitada (SN: 1/30/15).
Um esforço chamado CMB-Stage 4 continuará a busca, com planos para múltiplos novos telescópios que vasculharão a luz mais antiga do universo em busca de sinais das ondas – desta vez, esperançosamente, sem nenhum erro.
Vá para o desconhecido
Para a maioria dos tipos de ondas gravitacionais que os cientistas têm em mente, eles sabem um pouco sobre o que esperar. Objetos conhecidos, como buracos negros ou estrelas de nêutrons, podem criar essas ondas.
Mas para as ondas gravitacionais com os comprimentos de onda mais curtos, talvez apenas centímetros de comprimento, “a história é diferente”, diz a física teórica Valerie Domcke do CERN perto de Genebra. “Não temos nenhuma fonte conhecida… que realmente nos daria ondas gravitacionais de amplitude suficientemente grande para podermos detectá-las realisticamente.”
Ainda assim, os físicos querem verificar se as ondulações minúsculas estão lá. Essas ondas podem ser produzidas por eventos violentos no início da história do universo, como transições de fase cósmicas, nas quais o cosmos se converte de um estado para outro, semelhante à condensação da água do vapor para o líquido. Outra possibilidade são buracos negros primordiais pequenos demais para serem formados pelos meios convencionais, que podem ter surgido no início do universo. A física nessas regiões é tão pouco compreendida que “mesmo procurar [ondas gravitacionais] e não encontrá-las nos diria algo”, diz Domcke.
Essas ondas gravitacionais são tão misteriosas que as técnicas de detecção também estão indefinidas. Mas os comprimentos de onda são pequenos o suficiente para que possam ser observados com experimentos de alta precisão em escala de laboratório, em vez de detectores enormes.
Os cientistas podem até ser capazes de reutilizar dados de experimentos projetados com outros objetivos em mente. Quando as ondas gravitacionais encontram campos eletromagnéticos, as ondulações podem se comportar de maneira semelhante a partículas subatômicas hipotéticas chamadas axiônios (SN: 3/17/22). Portanto, experimentos em busca dessas partículas também podem revelar mini-ondas gravitacionais.
O espectro das ondas gravitacionais
U.S. DEPARTMENT OF ENERGY (Departamento de Energia dos EUA)
As ondas gravitacionais apresentam um espectro de comprimentos de onda mais curtos e mais longos. Cada faixa de comprimento de onda é gerada por diferentes fontes. Pulsares e estrelas em explosão, ou supernovas, geram algumas ondulações de curto comprimento de onda. Outras ondas são produzidas por pares de estrelas de nêutrons, ou por pares de buracos negros de massa estelar, com massas inferiores a 100 vezes a do sol. Comprimentos de onda ainda mais longos são gerados por pares de buracos negros supermassivos.
Diferentes comprimentos de onda podem ser detectados usando diferentes tipos de detectores, incluindo detectores terrestres como o LIGO, detectores espaciais como o LISA e medições de pulsares mortos chamados pulsares. Comprimentos de onda especialmente longos podem ser detectados estudando a luz liberada logo após o Big Bang, o fundo cósmico de micro-ondas. Outros tipos de detectores (não mostrados) podem preencher as lacunas.
Uma nova visão
COLABORAÇÃO PLANCK/ESA (European Space Agency – Agência Espacial Europeia)
Capturar ondas gravitacionais é como remar contra a maré: é difícil, mas vale a pena pelas vistas panorâmicas. “As ondas gravitacionais são realmente, realmente difíceis de detectar”, diz Hogan. Levou décadas de trabalho antes que o LIGO detectasse suas primeiras ondas, e o mesmo acontece com a técnica de sincronização de pulsares. Mas os astrônomos imediatamente começaram a colher recompensas. “É uma visão completamente nova do universo”, diz Hogan.
Até agora, as ondas gravitacionais ajudaram a confirmar a teoria geral da relatividade de Einstein, descobrir uma nova classe de buracos negros com massas moderadas e revelar os fogos de artifício que ocorrem quando duas estrelas de nêutrons ultradensas colidem (SN: 2/11/16; SN: 9/2/20; SN: 10/16/17).
E ainda está nos primeiros dias da detecção de ondas gravitacionais. Os cientistas podem apenas especular sobre o que os futuros detectores revelarão. “Há muito mais a descobrir”, diz Hogan. “Está destinado a ser interessante.” [Science News]
