LIGO DETETA ONDAS GRAVITACIONAIS PELA TERCEIRA VEZ
2 de junho de 2017
Impressão de artista que mostra a fusão de dois buracos negros parecidos aos detetados pelo LIGO. Os buracos negros - que acabam por espiralar juntos para formarem um único buraco negro - podem ser vistos aqui a orbitarem-se um ao outro. Os buracos negros têm orientações diferentes em relação ao movimento orbital do par. O sinal detetado tem uma pista deste fenómeno.
Crédito: LIGO/Caltech/MIT/Universidade Estatal de Sonoma (Aurore Simmonet)
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O LIGO descobriu a sua terceira onda gravitacional em 18 meses. Às 02:11:58 do dia 4 de janeiro de 2017 os braços do interferómetro do LIGO em Hanford, no estado norte-americano de Washington, tremeram. Três milésimas de segundo mais tarde, o interferómetro de Livingston sentiu o evento. Apesar dos EUA estarem a passar por temperaturas frias, o tremor não foi provocado pelo ar gelado daquela manhã de inverno. Em vez disso, foi o estremecimento do próprio espaço-tempo, gerado pela fusão de dois grandes buracos negros no Universo distante: uma onda gravitacional tinha viajado pela Terra, passando sucessivamente pelos dois detetores enquanto a maioria da população dormia.
Os investigadores do LIGO rapidamente determinaram que os buracos negros estavam a cerca de 3 mil milhões de anos-luz da Terra quando colidiram, tornando esta fusão a mais distante já observada (três mil milhões de anos-luz corresponde a cerca de um-quinto do caminho até à "orla" do Universo visível). Estas ondas haviam viajado durante aproximadamente 3 mil milhões de anos quando chegaram até nós.
Desde esta deteção, os cientistas do LIGO também determinaram que os dois buracos negros envolvidos na fusão tinham mais ou menos 19 vezes e 32 vezes a massa do Sol (com estas massas, os objetos vão para a lista de uma população "nova" de buracos negros com massas previamente desconhecidas dos astrónomos antes da primeira deteção do LIGO). O buraco negro que resultou da fusão tem uma massa estimada em mais ou menos 49 vezes a massa do Sol.
Poderá estar a pensar: "se somarmos 32 com 19, obtemos 51, não 49. O que se passa?"
A matemática não está errada. Quando os buracos negros coalesceram, o equivalente a 2 sóis, da massa dos buracos negros, foi convertido em pura energia de ondas gravitacionais! Além disso, toda essa energia foi libertada num piscar de olhos, uns meros 0,12 segundos. No momento da sua colisão, os buracos negros orbitavam-se um ao outro a uma velocidade equivalente a seis-décimos da velocidade da luz!
Antes de se fundirem, os dois buracos negros caberiam em esferas com aproximadamente 115 e 190 km de diâmetro, respetivamente. O buraco negro resultante ocuparia uma esfera com mais ou menos 280 km de diâmetro! Para colocar estes números em perspetiva, considere isto: o nosso Sol tem 1,4 milhões de quilómetros em diâmetro. Imagine comprimir não uma, mas 49 vezes a massa contida no Sol numa esfera com menos de 300 km de diâmetro!
A análise adicional dos dados mostrou que este evento também está de acordo (dentro da precisão que pode ser medida) com as previsões da relatividade geral, formulada por Albert Einstein há mais de 100 anos.
Apesar da estupenda energia libertada pela colisão dos buracos negros, a deteção de ondas gravitacionais é excessivamente difícil, pois os efeitos que exercem sobre os instrumentos do LIGO são incompreensivelmente pequenos. Esta última onda fez com que o espaço-tempo ocupado pelos braços do LIGO esticassem e diminuíssem 0,000.000.000.000.000.001 (1x10^-18) metros (um "atómetro"). Este valor é 1000 vezes mais pequeno do que um protão!
Dado quão insignificantemente pequenos são estes efeitos, como é que podemos ter a certeza de que esta foi uma verdadeira deteção de ondas gravitacionais e não apenas um estremecimento coincidente em ambos os observatórios?
Uma das primeiras coisas que a equipa determinou foi se o sinal, que apareceu quase simultaneamente nos detetores de Hanford e Livingston, era apenas um acaso nada tendo a ver com ondas gravitacionais oriundas do espaço. Estudando o sinal com mais cuidado (a sua forma e tempos de chegada em ambos os detetores, e observando quão "ruidosos" os interferómetros eram no momento da deteção), os investigadores do LIGO calcularam que as hipóteses de alguns bits de "ruído" aleatório, mas quase idênticos, assemelharem-se com ondas gravitacionais em ambos os instrumentos, ao mesmo tempo, era de 1 em 70.000 anos! Por outras palavras, é extremamente improvável que os sinais detetados em ambos os interferómetros tenham sido provocados por rajadas de ruído casual.
A outra coisa que tiveram que fazer foi determinar a existência de eventos "ambientais" que podiam ter produzido esses sinais. Tiveram em atenção tempestades, flutuações da rede elétrica, sinais de rádio, ruído acústico e sísmico (por exemplo, a passagem de camiões, sismos), e muitos outros sinais dentro dos próprios instrumentos para verificar se - por acaso - tiveram distúrbios externos quase simultâneos. Nenhum foi encontrado.
Depois de analisarem os dados, os cientistas do LIGO determinaram uma certeza de 99,997% de que o sinal recebido foi produzido no Universo distante pela colisão de dois buracos negros. Por outras palavras, podemos dizer com bastante confiança de que o LIGO detetou, efetivamente, um terceiro par de buracos negros em colisão!
Enquanto o LIGO continua a detetar ondas gravitacionais da fusão de buracos negros, os observadores eletromagnéticos ainda esperam detetar algo emanado durante os eventos de ondas gravitacionais. Para ajudar a esta tarefa, o LIGO associou-se com 77 observatórios espalhados por todo o mundo (incluindo dois em órbita), concordando em informar aquando da deteção de uma onda gravitacional para que possam também procurar algum sinal eletromagnético.
Após este último evento, todos os 77 parceiros foram alertados e 34 foram capazes de procurar alguma radiação. Tal como com as duas deteções anteriores, nada foi observado, mas tal não é surpreendente por duas grandes razões.
Em primeiro lugar, os buracos negros são "negros" porque nenhuma luz lhes escapa, mesmo quando colidem uns com os outros, assim que não esperamos ver luz oriunda dos próprios buracos negros. Poderá então perguntar: "Então para quê pedir aos astrónomos para procurar algo que não conseguem ver?" Embora os buracos negros não emitam luz, caso alguma matéria "normal", como por exemplo material estelar remanescente de uma supernova, seja apanhada na fusão, poderá aparecer um flash ou um brilho de luz, e os remanescentes podem brilhar durante algum tempo. A análise dessa luz podia render informações incrivelmente valiosas sobre o evento, especialmente, e até um grau muito maior de certeza, quão distante foi a colisão. De tal modo, com tudo o que pode ser obtido a partir da observação da radiação eletromagnética de uma fusão, mesmo que um flash de luz ou um brilho seja improvável, a equipa do LIGO tem sempre a iniciativa de comunicar com os parceiros de astronomia quando se detetam ondas gravitacionais porque... nunca se sabe!
Em segundo lugar, com apenas dois detetores na sua rede, ainda não conseguem dizer aos astrónomos exatamente onde procurar, o que faz da procura pelo brilho a agulha mais pequena do maior palheiro! Nesta última deteção, a área do céu que se determinou que podia ter albergado os buracos negros é de 1200 graus quadrados. É uma área do céu equivalente a 6000 Luas Cheias. E tendo em conta que não sabemos quanto tempo o brilho de um evento que gerou ondas gravitacionais pode durar, a pesquisa em todas as localizações possíveis é crítica. Mas investigar 1200 graus quadrados pode levar semanas e a probabilidade de, numa primeira tentativa, um astrónomo investigar a posição certa, é praticamente nula. Mas não por muito tempo.
A situação mudará drasticamente quando o Virgo, o detetor europeu, voltar ao funcionamento lá mais para o fim do ano. Com pelo menos três interferómetros a detetarem ondas gravitacionais, seremos capazes de localizar a fonte das ondas de modo parecido ao que as torres de comunicações utilizam para determinar a localização de um telemóvel. Isto permitirá dar aos parceiros astronómicos uma zona muito mais pequena do céu para examinar e irá aumentar consideravelmente as chances de alguém detetar um brilho - caso exista. Embora ainda não tenham detetado algo que possa emitir radiação, a possibilidade de serem os primeiros a detetar um flash ou brilho residual associado a um evento de ondas gravitacionais, mantém os parceiros interessados nos alertas que recebem. Quando tal acontecer, o LIGO terá demonstrado que é uma ferramenta útil para os astrónomos que trabalham com ondas gravitacionais e para os astrónomos eletromagnéticos.
Por agora, mesmo sem a capacidade de identificar a fonte, o LIGO tem a certeza de ter capturado outro evento da última fração de segundo das vidas de dois buracos negros massivos, no momento em que se fundiram um com o outro, há cerca de 3 mil milhões de anos. Esta última deteção é um bom presságio para o futuro do LIGO e para o futuro da astronomia de ondas gravitacionais, pois o observatório busca melhorar ainda mais a sua sensibilidade à medida que outros interferómetros de ondas gravitacionais espalhados pelo mundo se juntam à busca.
Esquema que mostra os "tamanhos" relativos dos buracos negros antes e depois da fusão.
Crédito: Caltech/MIT/LIGO Lab
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A filtragem de uma onda gravitacional nos dados do LIGO requer vasculhar muito ruído instrumental e ambiental. A imagem mostra o resultado: a linda assinatura da onda gravitacional mais recente.
Crédito: Caltech/MIT/LIGO Lab
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Esta projeção Mollweide mostra as possíveis posições, no céu, dos buracos negros que colidiram, produzindo as ondas gravitacionais detetadas pelo LIGO no dia 4 de janeiro de 2017. As áreas em forma de banana cobrem 1200 graus quadrados, ou cerca de 3% do céu (todo o céu corresponde a uma área de aproximadamente 41.000 graus quadrados), ou ainda 6000 Luas Cheias.
Crédito: PRL
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