LIGO DETETA ONDAS GRAVITACIONAIS PELA SEGUNDA VEZ
17 de junho de 2016
Esta ilustração mostra a fusão de dois buracos negros e as ondas gravitacionais que ondulam para fora enquanto os buracos negros espiralam na direção um do outro. Os buracos negros - que representam aqueles detetados pelo LIGO no dia 26 de dezembro de 2015 - tinham 14 e 8 vezes a massa do Sol, até que se fundiram, formando um único buraco negro com 21 vezes a massa do Sol. Na realidade, a área perto dos buracos negros apareceria altamente perturbada, e as ondas gravitacionais seriam demasiado pequenas para se ver.
Crédito: T. Pyle/LIGO
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Pela segunda vez, cientistas detetaram diretamente ondas gravitacionais - ondulações através do tecido do espaço-tempo, criadas por eventos cataclísmicos extremos no Universo distante. A equipa determinou que a incrivelmente fraca ondulação que eventualmente chegou à Terra foi produzida por dois buracos negros que colidiram a metade da velocidade da luz, a 1,4 mil milhões de anos-luz de distância.
Os cientistas detetaram as ondas gravitacionais usando os interferómetros gémeos LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), localizados em Livingston, Louisiana, e em Hanford, Washington, no dia 26 de dezembro de 2015 às 03:38 UTC. Ambos os detetores, separados por mais de 3000 km, detetaram um sinal muito fraco por entre o ruído ambiente.
Embora a primeira deteção do LIGO, divulgada no dia 11 de fevereiro, tenha produzido um pico claro nos dados, este segundo sinal foi bastante mais subtil e menos profundo, quase totalmente enterrado nos dados. Usando técnicas avançadas de análise de dados, a equipa determinou que, de facto, sinalizava uma onda gravitacional.
Os investigadores calcularam que a onda gravitacional surgiu da colisão de dois buracos negros, com 14,2 e 7,5 vezes a massa do Sol. O sinal captado pelos detetores LIGO engloba os momentos finais antes da fusão dos buracos negros: para aproximadamente o segundo final, enquanto o sinal foi detetável, os buracos negros giraram um em torno do outro 55 vezes, aproximando-se de metade da velocidade da luz, antes de se fundirem numa colisão que libertou uma quantidade incrível de energia sob a forma de ondas gravitacionais, equivalente à massa do Sol. Este cataclismo, que ocorreu há 1,4 mil milhões de anos atrás, produziu um buraco negro mais massivo com 20,8 vezes a massa do Sol.
Esta segunda deteção de ondas gravitacionais, que mais uma vez confirma a teoria da relatividade geral de Einstein, testou com sucesso a capacidade do LIGO em detetar sinais gravitacionais extremamente subtis.
"Fizemo-lo novamente," afirma Salvatore Vitale, cientista do Instituto Kavli para Astrofísica e Investigação Espacial do MIT (Massachusetts Institute of Technology) e membro da equipa LIGO. "O primeiro evento foi tão bonito que quase nem acreditámos. Agora, o facto de termos visto outra onda gravitacional prova que, realmente, estamos a observar uma população de buracos negros binários no Universo. Sabemos que vamos ver muitos destes com frequência suficiente para realizar ciência interessante."
Os cientistas, como parte da Colaboração Científica LIGO e da Colaboração Virgo, publicaram os seus resultados anteontem na revista Physical Review Letters.
Encontrando uma correspondência
Os dois interferómetros LIGO, cada com 4 quilómetros de comprimento, estão concebidos de tal forma que cada detetor deve esticar-se por uma quantidade ínfima caso uma onda gravitacional os atravesse. No dia 14 de setembro de 2015, os detetores captaram o primeiro sinal de uma onda gravitacional, que esticou cada um por tão pouco quanto uma fração do diâmetro de um protão. Apenas quatro meses depois, no dia 26 de dezembro, o LIGO registou um segundo sinal, que esticou os detetores por um valor ainda menor.
"Quando detetámos o primeiro sinal, era tão curto e ruidoso que podíamos ver nos dados esta bonita faixa," comenta Vitale. "Com este novo evento, é totalmente diferente. Não foi fácil de ver. Está totalmente enterrado dentro do ruído."
Para desembaraçar o sinal e determinar se era de facto uma onda gravitacional ou se era simplesmente ruído dos próprios detetores, os cientistas utilizaram filtros, uma técnica de processamento de sinal que permite com que os cientistas "vasculhem" o ruído LIGO à procura de sinais com ondulações ou padrões conhecidos.
Neste caso, a equipa reuniu um banco com centenas de milhares de ondulações conhecidas, cada uma correspondendo a diferentes massas e rotações de buracos negros. Em seguida, os cientistas compararam os dados LIGO com cada das ondulações no banco, à procura de correspondências.
Com alguma análise adicional, chamada estimativa de parâmetros, descobriram que o mesmo sinal, detetado em ambos os interferómetros, correspondia a um único cenário: a fusão de dois buracos negros com 14,2 e 7,5 massas solares, respetivamente, colidindo a 1,4 mil milhões de anos-luz de distância. Os buracos negros em colisão são menos massivos que aqueles que produziram o primeiro sinal de onda gravitacional. As massas dos recém-detetados buracos negros são também mais representativas dos buracos negros que os astrónomos observam no Universo.
"De certa forma, isto é agradável e reconfortante - significa que podemos estudar a mesma população que observamos na astronomia tradicional," explica Lisa Barsotti, investigadora do Kavli do MIT e membro da equipa LIGO. "Esta é uma nova era da astronomia, e agora nós podemos realmente estudar o Universo de formas que nunca imaginámos poder fazer antes."
Alcançando o passado
Nos seus primeiros quatros meses, os detetores LIGO detetaram dois sinais de ondas gravitacionais, produzidas pela colisão de dois pares de buracos negros muito diferentes. David Shoemaker, que liderou a equipa que construiu os detetores, nota que "o observatório está atualmente offline e a sofrer atualizações para melhorar a sua sensibilidade, e espera-se que comece a sua próxima campanha de observações no outono," quando os cientistas antecipam detetar ainda mais ondas gravitacionais e eventos astrofísicos extremos.
"Estamos a transitar muito rapidamente de um evento a cada poucos meses, para vários por mês," acrescenta Vitale. "Seremos também capazes de ver objetos ainda mais distantes no espaço e no tempo."
Com mais deteções, a equipa espera responder a uma questão central: como é que os buracos negros se fundem? Os astrónomos têm duas hipóteses possíveis. À medida que os buracos negros "nascem" a partir da explosão de estrelas, uma postula que duas dessas estrelas podem ter orbitado uma em redor da outra anteriormente, antes de colapsarem para buracos negros que permaneceram juntos, orbitando cada vez mais perto antes de finalmente se fundirem. A outra hipótese sugere que dois buracos negros independentes, que habitam uma população densa de buracos negros, podem tornar-se gravitacionalmente ligados e eventualmente fundir-se.
"Estes cenários são extremamente diferentes e uma coisa que queremos fazer no futuro é saber o que acontece mais frequentemente," afirma Vitale. "Nós vamos ter que esperar por mais deteções para começar a fazer estas descobertas astrofísicas interessantes."
No outono, quando o LIGO voltar a funcionar, terá ajuda adicional do Virgo, um terceiro interferómetro localizado perto de Pisa, Itália, que irá detetar ondas gravitacionais com um detetor de 3 km de comprimento. Os cientistas do LIGO, incluindo Barsotti, estão também a trabalhar num projeto que é ainda mais sensível que o LIGO, na esperança de observar os primeiros eventos do Universo.
"As ondas gravitacionais são a única maneira que conhecemos, atualmente, de o fazer," realça. "Porque o Universo é muito opaco à luz para os seus primeiros 380.000 anos. Mas as ondas gravitacionais podem passar, e são a nossa única potencial ferramenta para realmente investigar o início do tempo."
"Como pode imaginar, para a maioria de nós, estas deteções têm um impacto muito forte nas nossas vidas, porque há muito tempo que esperávamos por elas. Estes últimos meses têm sido incríveis," conclui Barsotti.
