Ouvir o Universo

Vimos durante milénios um filme mudo do universo – a cores, é certo! Com as ondas gravitacionais começámos finalmente a ouvi-lo também.

Tuesday, July 14, 2020,
Por Lara Sousa
Ilustração das ondas gravitacionais produzidas por um binário de buracos negros. Os buracos negros são tão ...

Ilustração das ondas gravitacionais produzidas por um binário de buracos negros. Os buracos negros são tão densos que não emitem qualquer luz e, por isso, não os podemos ver. Mas as perturbações que geram no espaço-tempo podem chegar até nós.

Fotografia de Henze/NASA

Foi com os nossos olhos que começámos a conhecer o mundo que nos rodeia, mas o que nos mostram nunca foi suficiente. Construímos telescópios que nos alargaram o horizonte, mas só nos mostraram que havia mais para ver. Alargámos o espectro da nossa visão para lá da luz visível – às ondas rádio, aos infravermelhos, aos raios ultravioleta, X e gama – e a cada nova frequência houve novas coisas para ver.

Construímos a nossa ideia do universo vendo-o. Mas a 11 de Fevereiro de 2016 foi anunciado ao mundo que, depois de dezasseis anos à escuta, o observatório de ondas gravitacionais LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) tinha finalmente ouvido algo. Ficou assim inaugurada a era da Astronomia de ondas gravitacionais, e há muito sobre o universo que está prestes a ser revelado.

Uma força que não o é
Estava Isaac Newton à sombra da macieira – ou assim reza a lenda... – e subitamente percebeu, quando uma maçã lhe caiu na cabeça, que há entre todos os corpos com massa uma força atractiva. Essa força, a gravidade, é tão mais forte quanto mais massa tiverem os corpos e quanto mais próximos estiverem. É ela que faz com que a maçã caia em direcção à Terra. É também ela que mantém a Terra em órbita do Sol e explica o movimento dos outros corpos celestes.

A gravidade continuou, no entanto, misteriosa: não se lhe conhecia a origem e parecia actuar à distância e instantaneamente, sem que nada a mediasse. Esta estranheza não passou ao lado do próprio Newton: numa carta a Richard Bentley em 1692, escreveu que esta acção à distancia era para ele «um absurdo tão grande que, creio, nenhum homem que tenha, em matéria filosófica, uma faculdade competente de pensamento poderia alguma vez cair nele».

Newton não era nada incompetente de pensamento, mas viveu no século XVII… Foi preciso esperar mais de duzentos anos para que a maquinaria física e matemática necessária se desenvolvesse com a contribuição de centenas de pessoas. Apareceu então outra pessoa que tinha, em matéria filosófica, uma faculdade competente de pensamento. Chamava-se Albert Einstein e conseguiu finalmente desvendar um pouco mais da natureza misteriosa da gravidade.

Einstein percebeu que se, como as experiências indicavam, todos os observadores medem a mesma velocidade da luz no vácuo quer se estejam a mover quer não, então a passagem do tempo deve ocorrer a ritmos diferentes para cada um deles. Os relógios de observadores em movimento avançam mais devagar do que os dos que estão parados, e avançam tão mais devagar quanto maior for a sua velocidade. Mais ainda: as distâncias são mais curtas para os observadores que se estão a mover. Einstein percebeu assim que espaço e tempo, que até então eram vistos como entidades distintas, são na realidade a manifestação de uma mesma coisa: o espaço-tempo.

O conceito de espaço-tempo foi essencial para revelar a verdadeira natureza da gravidade. Os corpos com massa deformam o espaço-tempo, curvando-o e criando à sua volta uma espécie de fosso. Assim, quando uma maçã cai ao chão – ou na cabeça de Isaac Newton – não há nenhuma força que a puxe: está só a escorregar no fosso que a Terra criou no espaço-tempo. É a curvatura do espaço-tempo que determina como os corpos se movem, que trajectória devem seguir. Quando a Terra gira em torno do Sol, não o faz por haver uma força que a puxe para o Sol, mas porque se move na linha mais recta possível na região do espaço-tempo curvada pelo Sol. A gravidade não é uma acção à distância entre dois corpos com massa, mas uma manifestação da curvatura do espaço-tempo. Não passa de uma força fictícia.

Representação bidimensional do poço gravitacional criado pelo Sol e a Terra. Os corpos com massa curvam a “esquadria” do espaço-tempo, dilatando o tempo e contraindo o espaço. Assim, os relógios andam tão mais devagar e as distâncias são tão mais curtas quanto maior for a curvatura do espaço-tempo. Estas deformações são tão maiores quanto mais massa tiverem os corpos.

Fotografia de T. Pyle/Caltech/MIT/ LIGO Lab

O espaço-tempo perturbado
Einstein percebeu também que a curvatura do espaço-tempo é dinâmica: quando um corpo se mexe, ou quando a sua massa varia, o espaço-tempo à sua volta altera-se. Qualquer mudança rápida da curvatura num ponto perturba o equilíbrio e todo o espaço-tempo reage e adapta-se a esta alteração.

Pensemos no que acontece quando atiramos uma pedra a um lago. Quando a pedra toca na superfície parada da água, perturba-a e geram-se ondas concêntricas que comunicam ao resto do lago esta alteração. Estas ondas propagam-se por todo o lago até que se reestabeleça o equilíbrio e a superfície volte a ficar lisa como se nada tivesse acontecido. Ora, quando uma massa acelerada perturba a curvatura do espaço-tempo, acontece algo muito semelhante: a perturbação propaga-se por todo o espaço-tempo sob a forma de ondas gravitacionais.

As ondas gravitacionais não são sinais que se propagam no espaço-tempo (como a luz, por exemplo), mas sinais do próprio espaço-tempo. Conseguem viajar pelo Universo quase sem impedimentos e transportam com elas informação sobre o que lhes deu origem. Através delas podemos estudar coisas que não conseguimos ver porque não emitem luz, como os buracos negros, ou por haver algo que as encubra. Podemos ouvir.

As ondas gravitacionais esticam o espaço-tempo numa direcção e contraem-no na outra alternadamente, e deformam da mesma forma quase tudo por que passam: as galáxias, as estrelas, os planetas, nós… Mas há uma coisa que não podem deformar: a luz. Assim, na década de 60, alguns cientistas perceberam que se poderia usar um interferómetro de Michelson para detectá-las.

Estes interferómetros têm dois braços dispostos em “L” que são percorridos por feixes laser. Estes feixes de luz são reflectidos em espelhos na extremidade de cada braço e enviados para um mesmo detector. Se os braços tiverem o mesmo comprimento, os dois feixes anulam-se quando chegam ao detector. Mas, se passar uma onda gravitacional pelo interferómetro, um braço estica e o outro encolhe e os feixes chegam ao detector desalinhados. Neste caso, a interferência entre os dois feixes gera um sinal com um padrão característico que pode ser medido e que acusa a passagem das ondas gravitacionais.

As deformações causadas pelas ondas gravitacionais são ínfimas e por isso os sinais da sua passagem são muito difíceis de detectar. Muitos acharam que nunca seríamos capazes... Ainda assim, houve gente disposta a tentar. Foram precisas décadas de investigação, desenvolvimento tecnológico e muito investimento para que, em 1999, o observatório LIGO pudesse entrar em funcionamento.

É composto por dois interferómetros com braços de quatro quilómetros e, na sua máxima sensibilidade, é capaz de detectar alterações do comprimento dos braços 10 000 vezes menores que o diâmetro de um protão. Mas só a 14 de Setembro de 2015, depois de terem sido feitos melhoramentos para aumentar a sensibilidade, se ouviu algo. Não durou mais do que 0,2 segundos.

Observatório de ondas gravitacionais LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). O LIGO é composto por dois interferómetros de Michelson com braços de quatro quilómetros, situados um em Hanford (imagem da esquerda) e o outro em Livingston (à direita), nos Estados Unidos da América. Os detectores estão separados por mais de 3000 quilómetros para que se possa distinguir os sinais de ondas gravitacionais em relação ao ruído. Só quando ambos detectam sinais semelhantes se considera que houve uma detecção de ondas gravitacionais.

Fotografia de Caltech/MIT/LIGO lab

Os primeiros sons
Os cientistas andaram a preparar-se para este momento durante anos e – tal como um conhecedor de pássaros os reconhece apenas pelo canto – perceberam que aquele pio era de um binário de buracos negros. Num passado distante dois buracos negros, com a massa de 29 e 36 sóis, orbitaram em torno um do outro, aproximando-se cada vez mais rápido até que colidiram e formaram um buraco negro maior, com 62 massas solares. No processo perderam-se três massas solares sob a forma de ondas gravitacionais, que viajaram durante 1,3 mil milhões de anos pelo espaço-tempo até chegarem a nós.

Esta colisão de buracos negros não tem nada de extraordinário e é até um evento relativamente frequente, mas para nós revestiu-se de importância histórica: foi a primeira coisa que ouvimos e a primeira vez que detectámos buracos negros directamente. Vimos durante milénios um filme mudo do universo – a cores, é certo! – mas a partir desse momento começámos a ouvi-lo também. Este feito valeu a Rainer Weiss, Kip Thorn e Barry Barish o prémio Nobel da Física de 2017. Provou ainda que Einstein estava certo quando postulou a existência de ondas gravitacionais quase cem anos antes, mas errado quando se retractou uns anos depois.

Entretanto, entrou em funcionamento um terceiro interferómetro – o Virgo, na Itália – e com três detectores já se pode saber, por triangulação, de que parte do céu vêm as ondas gravitacionais. Assim, quando a colaboração LIGO-Virgo detecta algo, soam os alarmes de dezenas de telescópios e observatórios por todo o mundo (e no espaço, em órbita) e todos se voltam para essa região do céu à espera de algo para ver.

A 17 de Agosto de 2017 aconteceu precisamente isso: conseguimos, pela primeira vez, ver e ouvir um evento astronómico com som, ao vivo e a cores. Foi novamente a colisão e coalescência de um binário mas, desta vez, de estrelas de neutrões. Estas "estrelas" resultam do colapso do núcleo das estrelas gigantes no final da sua vida e são compostas quase só por neutrões (uma das partículas que há no núcleo dos átomos). São extremamente densas – têm uma massa semelhante à do Sol concentrada num raio de poucas dezenas de quilómetros – e, por isso, há muito que não se sabe sobre elas. Com este evento já ficámos a saber um pouco mais.

Esta observação multi-mensageiro, através da luz e ondas gravitacionais, permitiu-nos confirmar que é nestas colisões de estrelas de neutrões que se formam, pelo menos em parte, o ouro e outros elementos pesados, e que neste processo se emitem os jactos de raios gama que, por vezes, vemos no céu.

Jacto de raios gama causado pelo binário de estrelas de neutrões GW170817. Graças à detecção das ondas gravitacionais geradas por este binário a 17 de Agosto de 2017, pudemos acompanhar este processo nos dias e meses seguintes com 70 telescópios diferentes em vários comprimentos de onda e aprender mais sobre ele.

Fotografia de ESA e NASA

Estes binários compactos são a fonte principal de ondas gravitacionais na gama de frequências a que os interferómetros LIGO-Virgo são sensíveis e já foram detectados várias vezes. Não há muito mais que nos possam mostrar... Mas há no universo muito mais que ouvir.

A cacofonia que aí vem
Há binários de buracos negros de todos os tamanhos, desde os estelares até aos buracos negros supermassivos que há no centro das galáxias, com a massa de mil milhões de sóis. Pensa-se que as galáxias grandes que existem hoje evoluíram a partir da fusão de galáxias menores e dos respectivos buracos negros. Assim, ouvir binários de vários tamanhos permitir-nos-á reconstruir a história desta evolução.

Podemos ainda acompanhar a velhice das estrelas. As supernovas, eventos explosivos que ocorrem nos estágios finais da vida de estrelas massivas e que dão origem a buracos negros estelares e a estrelas de neutrões, podem ser detectadas directamente. Ouvi-las pode não só ensinar-nos mais sobre estes processos, mas também sobre o passado e o futuro do nosso universo, já que nos permitirá medir a sua velocidade de expansão com uma precisão sem precedentes.

As ondas gravitacionais podem também ajudar-nos a desvendar um dos maiores mistérios da física: o que aconteceu no início da vida do Universo. Não nos chega, nem pode chegar, nenhuma luz directamente do Universo primordial, mas podemos ouvir o ruído desse passado distante e, através dele, perceber como era nessa altura. Podem também revelar-nos mais sobre a natureza da gravidade e ajudar-nos a perceber como tudo começou e como vai acabar... É a esta “arqueologia” astronómica que eu e outros investigadores do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) nos estamos a dedicar.

Alargar o espectro
Para ouvir tudo isto e muito mais, precisamos de alargar o espectro. Precisamos de interferómetros maiores e mais sensíveis. Na Terra é difícil fazê-los: há vibrações e ruídos que abafam o que o Universo tem para nos dizer. A solução é ir para o espaço e é isso que a Agência Espacial Europeia pretende fazer em 2034 com a missão LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Irá colocar em órbita três satélites conectados por lasers – cujo processo de desenvolvimento óptico contou já com a participação do Grupo de Instrumentação do IA – e que funcionarão como três interferómetros com braços de 2,5 milhões de quilómetros. A constelação LISA vai ser o primeiro observatório de ondas gravitacionais no espaço e permitir-nos-á detectar ondas gravitacionais numa nova (e vasta) gama de frequências. Está também em desenvolvimento, através de uma iniciativa intergovernamental de que Portugal faz parte, o Square Kilometer Array (SKA), que será o maior radiotelescópio de sempre. O SKA vai monitorizar os sinais periódicos de certas estrelas de neutrões em rotação – os pulsares – e detectar perturbações geradas pela passagem de ondas gravitacionais.

Representação artística da missão LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Em 2034, a Agência Espacial Europeia (ESA), em colaboração com a NASA, vai colocar em órbita o primeiro observatório de ondas gravitacionais: a constelação de satélites LISA. O LISA vai abrir uma nova janela no espectro de ondas gravitacionais e permitir-nos-á detectar fontes que não conseguimos ouvir a partir da Terra. O satélite da ESA LISA Pathfinder, lançado em 2015 para testar a tecnologia necessária ao desenvolvimento do LISA, excedeu todas as expectativas e conseguiu ser “o local mais silencioso do espaço”.

Fotografia de EADS Astrium

Com o SKA e o LISA detectaremos tudo isto e muito mais: talvez até detectemos algo de que não estamos à espera. Eu, pessoalmente, mal posso esperar para ouvir!

 

Lara Sousa é investigadora do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) e membro do Consórcio da missão LISA desde 2014. É investigadora principal do projecto “À procura de cordas cósmicas e outros defeitos topológicos com ondas gravitacionais”.

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