Com a confirmação experimental da existência de ondas gravitacionais, uma nova forma de "enxergar" o Universo abre-se para a Astronomia Observacional. De maneira excepcional, as ondas gravitacionais foram previstas teoricamente por Albert Einstein em 1916 a partir de sua Teoria da Relatividade Geral (TRG). Mesmo Einstein duvidou de uma possível detecção de ondas gravitacionais, devido à pequeníssima intensidade de tais ondas ao se propagarem, no tecido do espaço-tempo, da fonte até a Terra.
O que são as ondas gravitacionais?
Ondas gravitacionais são perturbações que se propagam à velocidade da luz no tecido espaço-temporal, provocadas por objetos supermassivos ou superdensos como, por exemplo, buracos negros e pulsares. Quando as ondas gravitacionais se propagam por uma determinada região do Universo, elas distorcem/perturbam o espaço-tempo. Objetos astrofísicos (ultra-densos como estrelas de nêutrons) acelerados no espaço-tempo geram ondas gravitacionais, assim como uma carga elétrica acelerada gera ondas eletromagnéticas.
A forma mais simples de obter teoricamente as ondas gravitacionais - dentro da TRG de Einstein - é a partir da linearização da teoria. Para isso, deve-se expandir as equações de campo de Einstein nas vizinhanças da métrica de Minkowski. (Para mais detalhes, acesse o artigo).
Fontes Astrofísicas de Ondas Gravitacionais
Há várias fontes astrofísicas que podem gerar ondas gravitacionais. As estrelas de nêutrons com forma assimétrica, cujos períodos de rotação sejam constantes, produzem as chamadas ondas gravitacionais contínuas. Previsões teóricas da TRG atestam que fontes assimétricas podem gerar OG contínuas fracas com frequência bem definida.
Por outro lado, ondas gravitacionais geradas por objetos compactos espiralantes, como sistemas binários formados por estrelas de nêutrons, por buracos negros ou por um buraco negro e uma estrela de nêutrons, são fontes com maior possibilidade para a detecção de OG, uma vez que a frequência das OG aumenta à medida que os dois objetos se aproximam para a fusão.
Concepção artística da Fusão de Buracos Negros. Crédito:SXS Collaboration
Vindo de todas as direções do Universo, as ondas gravitacionais estocásticas são produzidas por fontes aleatórias no Universo. Acredita-se que parte dessas ondas foram geradas após o Big Bang, por isso essas ondas gravitacionais relíquias estão vagando por todo Universo. Há pouca crença em detectá-las diretamente num futuro próximo, já que são OG de pequeníssimas intensidades. (Leia mais sobre este assunto na seção "Ondas Gravitacionais Primordiais")
Além disso, há as ondas gravitacionais originadas de explosões de raio gama e supernovas. Sabe-se que as explosões de raios gama - um dos eventos mais energéticos no Universo - emitem grande quantidade de energia, sendo um potencial emissor de ondas gravitacionais. No entanto, essas explosões são raras e difíceis de prever, pois ocorrem de forma inesperada no Universo.
Em relação à polarização das ondas gravitacionais, elas apresentam, dentro da RG, dois tipos: polarização "+" e polarização "x". As ondas gravitacionais previstas pela TRG são transversais. A importância das polarizações está relacionada à obtenção de informações fundamentais sobre a fonte emissora de OG.
O Pulsar binário de Hulse e Taylor
Concepção artística de binário pulsar. Crédito: CSIRO / John Rowe Animation
Fontes Astrofísicas de Ondas Gravitacionais
Há várias fontes astrofísicas que podem gerar ondas gravitacionais. As estrelas de nêutrons com forma assimétrica, cujos períodos de rotação sejam constantes, produzem as chamadas ondas gravitacionais contínuas. Previsões teóricas da TRG atestam que fontes assimétricas podem gerar OG contínuas fracas com frequência bem definida.
Por outro lado, ondas gravitacionais geradas por objetos compactos espiralantes, como sistemas binários formados por estrelas de nêutrons, por buracos negros ou por um buraco negro e uma estrela de nêutrons, são fontes com maior possibilidade para a detecção de OG, uma vez que a frequência das OG aumenta à medida que os dois objetos se aproximam para a fusão.
Vindo de todas as direções do Universo, as ondas gravitacionais estocásticas são produzidas por fontes aleatórias no Universo. Acredita-se que parte dessas ondas foram geradas após o Big Bang, por isso essas ondas gravitacionais relíquias estão vagando por todo Universo. Há pouca crença em detectá-las diretamente num futuro próximo, já que são OG de pequeníssimas intensidades. (Leia mais sobre este assunto na seção "Ondas Gravitacionais Primordiais")
Além disso, há as ondas gravitacionais originadas de explosões de raio gama e supernovas. Sabe-se que as explosões de raios gama - um dos eventos mais energéticos no Universo - emitem grande quantidade de energia, sendo um potencial emissor de ondas gravitacionais. No entanto, essas explosões são raras e difíceis de prever, pois ocorrem de forma inesperada no Universo.
Em relação à polarização das ondas gravitacionais, elas apresentam, dentro da RG, dois tipos: polarização "+" e polarização "x". As ondas gravitacionais previstas pela TRG são transversais. A importância das polarizações está relacionada à obtenção de informações fundamentais sobre a fonte emissora de OG.
O Pulsar binário de Hulse e Taylor
A partir da observação de emissão de ondas de rádio por um sistema binário, os astrofísicos Joseph Taylor e Russell Hulse em 1974 confirmaram indiretamente a existência de ondas gravitacionais. A observação seminal da dupla de pesquisadores verificou a predição da perda de energia por ondas gravitacionais descrita pela teoria da Relatividade Geral.
Os pesquisadores americanos utilizaram o radiotelescópio de Arecibo (em Porto Rico) para observar e medir o período orbital de um pulsar ao redor de sua companheira estelar (uma estrela de nêutrons). Exatamente, a Relatividade Geral prediz que o pulsar espirala perdendo energia de acordo com a emissão de ondas gravitacionais, que acarreta a diminuição sistemática do período orbital do sistema. O pulsar binário de Hulse-Taylor serviu como um "laboratório cósmico" ideal para testar a teoria do espaço-tempo de Einstein, quando sistemas físicos estão submetidos a campos gravitacionais muito fortes.
Detecção das Ondas Gravitacionais
A detecção direta das ondas gravitacionais pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), em 15 de setembro de 2015, foi uma das maiores descobertas científicas do século XXI, ao lado da descoberta do bóson de Higgs pelo LHC. As ondas gravitacionais detectadas pelo LIGO foram produzidas a 1,3 bilhões de anos-luz da Terra pela colisão de dois buracos negros. Um dos buracos negros tinha 36 vezes a massa do Sol, enquanto o outro tinha 29 vezes a massa solar. A fusão resultante dos buracos negros gerou um buraco negro com 62 vezes a massa do nosso astro-rei. O equivalente a 3 massas solares foram irradiadas, em forma de energia, por ondas gravitacionais pela colisão cósmica.
Os dois interferômetros idênticos instalados, um em Louisiana e outro em Washington, detectaram quase simultaneamente o sinal das ondas gravitacionais. O LIGO foi construído com braços, no formato de "L", medindo 4 km cada um. Os interferômetros foram planejados como os mais sensíveis e precisos experimentos já elaborados na busca pelas OG. Com o objetivo de detectar OG originadas de eventos cósmicos cataclísmicos, o LIGO é baseado na interferometria a laser, no qual feixes de luz laser extremamente coerentes se propagam em cada braço, onde sofrem reflexão em espelhos refletores na extremidade. Quando OG interagem com o detector, o comprimento dos braços é alterado, ou seja, eles são esticados e comprimidos levemente comparativamente a uma fração do diâmetro de um núcleo atômico. Diante da mudança no comprimento dos braços do interferômetro, o percurso dos feixes também se altera, ocasionando uma diferença de fase. Esta diferença produz um padrão de interferência, que confirma a passagem das OG pelo detector.
Uma boa razão para haver interferômetros gêmeos é que a distinção de sinais verdadeiros de OG pode ser diferenciada de sinais de ruído provocado por efeitos ambientais ou instrumentais. Qualquer sinal que imite a passagem de ondas gravitacionais por um detector, pode ser precisamente descartado pelo outro detector, isto é, o falso alarme da detecção é prontamente reconhecido como tal. Além disso, um sinal verdadeiro de OG em um detector será captado pelo outro após 10 milissegundos.
Já foram confirmadas três detecções de OG pelo LIGO: a segunda ocorreu em dezembro de 2015 e a terceira em janeiro de 2016. Todas as detecções estão relacionadas com fusão de buracos negros, que confirma - sem sombra de dúvida - a existência de buracos negros estelares.
Ondas Gravitacionais Primordiais
Para uma melhor compreensão do início do Universo, a detecção das ondas gravitacionais primordiais (OGP) - oriundas da época inflacionária - trarão meios viáveis de testar (e descartar) inúmeros modelos cosmológicos. Num futuro próximo, através do experimento LISA (Laser Interferometer Space Antenna) - o observatório espacial de ondas gravitacionais -, pesquisadores planejam detectar as OGP e dar provas da ocorrência da inflação cosmológica. [Para mais detalhes, acesse o link].
Vale pontuar que a detecção das OGP darão um estímulo para o entendimento da gravidade quântica, uma vez que essas ondas se originam da época do Universo (quente e denso), em que efeitos quânticos tiveram um papel relevante.
Uma nova era para a Astronomia
Para uma melhor compreensão do início do Universo, a detecção das ondas gravitacionais primordiais (OGP) - oriundas da época inflacionária - trarão meios viáveis de testar (e descartar) inúmeros modelos cosmológicos. Num futuro próximo, através do experimento LISA (Laser Interferometer Space Antenna) - o observatório espacial de ondas gravitacionais -, pesquisadores planejam detectar as OGP e dar provas da ocorrência da inflação cosmológica. [Para mais detalhes, acesse o link].
Vale pontuar que a detecção das OGP darão um estímulo para o entendimento da gravidade quântica, uma vez que essas ondas se originam da época do Universo (quente e denso), em que efeitos quânticos tiveram um papel relevante.
Uma nova era para a Astronomia
Em resumo: ondas gravitacionais foram confirmadas experimentalmente de forma direta pelo experimento LIGO. Além disso, o LIGO deu evidência direta para a existência de buracos negros. Diante disso, abre-se uma nova janela para a compreensão do Universo em que vivemos, uma vez que as ondas gravitacionais se propagam interagindo pouquíssimo com a matéria, diferentemente do caso das ondas eletromagnéticas. Desta forma, a astronomia em ondas gravitacionais permitirá aos astrônomos, astrofísicos e cosmólogos acesso aos segredos do Cosmos que estão ocultos.
Referências
[1] Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
[2] Introduction to LIGO & Gravitational Waves.
[3] Ondas Gravitacionais, ou Uma Distorção no Espaço-tempo.
[4] What is a Gravitational Wave?
[5] Gravity's Shadow: The Search for Gravitational Waves.
Referências
[1] Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
[2] Introduction to LIGO & Gravitational Waves.
[3] Ondas Gravitacionais, ou Uma Distorção no Espaço-tempo.
[4] What is a Gravitational Wave?
[5] Gravity's Shadow: The Search for Gravitational Waves.
