Imagine um mundo muito diferente do nosso: permanentemente envolto em nuvens, onde o céu nunca é visto. Nunca ninguém viu o Sol, a Lua, as estrelas ou planetas, até que uma noite, um único objeto brilhante mostrou-se. Imagine que você viu não apenas um ponto de luz brilhante contra um fundo escuro do céu, mas que você pôde ver uma estrutura de faixas, um sistema de anéis em torno dele e talvez até mesmo um satélite brilhante: a lua. Essa é a magnitude do que o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory ou Interferômetro a Laser do Observatório de Ondas Gravitacionais) viu, quando detectou diretamente ondas gravitacionais, pela primeira vez.
Uma previsão inevitável da Relatividade Geral de Einstein, as ondas gravitacionais surgem sempre que uma massa é acelerada. Para a maioria dos sistemas – como a Terra orbitando o Sol – as ondas são tão fracas que levaria muitas vezes a idade do Universo para notar. Mas quando objetos muito maciços orbitam a distâncias muito curtas, as órbitas decaem sensivelmente e rapidamente, produzindo ondas gravitacionais potencialmente observáveis. Sistemas como o pulsar binário B1913 PSR + 16 [a sutileza aqui é que pulsar binário pode conter uma única estrela de nêutrons, por isso é melhor, para ser específico], onde duas estrelas de nêutrons orbitam uma a outra a distâncias muito curtas, já tinha demonstrado este fenómeno de decaimento orbital, mas as ondas gravitacionais nunca tinham sido detectadas diretamente, até agora.
Quando uma onda gravitacional passa através de um objeto, simultaneamente estica e comprime o espaço ao longo de direcções perpendiculares entre si: em primeiro lugar na horizontal, em seguida, verticalmente, de forma oscilante. Os detectors do LIGO trabalharam por dividir um feixe de laser em “braços” perpendiculares, deixando as vigas refletirem para frente e para trás em cada braço centenas de vezes (sendo mais eficaz, o comprimento é de centenas de km), e, em seguida, combiná-los em um fotodetector. O padrão de interferência visto lá se deslocará, previsivelmente, se ondas gravitacionais passarem através e alterarem os comprimentos dos percursos efetivos dos braços. Durante um período de 20 milissegundos, em 14 de Setembro de 2015, os dois detectores do LIGO (em Louisiana e em Washington) viram padrões de alongamento-e-compressão idênticos. A partir dessa pequena quantidade de dados, os cientistas foram capazes de concluir que os dois buracos negros, de 36 e 29 massas solares cada, unidas, emitindo 5% da sua massa total em energia de ondas gravitacionais, via Einstein E = mc2.
Durante o evento, mais energia foi emitida em ondas gravitacionais do que por todas as estrelas no Universo observável combinadas. Toda a Terra foi comprimida por menos do que a largura de um próton durante este evento, no entanto, graças à incrível precisão do LIGO, fomos capazes de detectá-lo. Pelo menos, um punhado desses eventos são esperados a cada ano. No futuro, diferentes observatórios, como NANOGrav (que utiliza telescópios de rádio para o atraso causado por ondas gravitacionais sobre a radiação de um pulsar) e da missão espacial LISA irão detectar ondas gravitacionais de buracos negros supermassivos e de muitas outras fontes. Acabamos de ver o nosso primeiro evento usando um novo tipo de astronomia, e agora poderemos testar os buracos negros e a gravidade como nunca antes.
Crédito da imagem: Observação de ondas gravitacionais da fusão de um buraco negro binário B. P. Abbott et al, (colaboração LIGO Scientific e colaboração Virgem), Physical Review Letters 116, 061.102 (2016).. Esta figura mostra os dados (painéis superiores) nas estações de Washington e Louisiana (LIGO), o sinal previsto a partir da teoria de Einstein (painéis do meio) e os sinais infravermelhos (painéis inferiores).Os sinais combinados perfeitamente em ambos os detectores.