Em fevereiro de 2016, os cientistas que trabalhavam no Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) fizeram história quando anunciaram a primeira detecção de ondas gravitacionais. Desde então, várias detecções ocorreram e colaborações científicas entre observatórios - como Advanced LIGO e Advanced Virgo - estão permitindo níveis sem precedentes de sensibilidade e compartilhamento de dados.
A detecção pela primeira vez de ondas gravitacionais não foi apenas uma conquista histórica, mas também uma nova era da astrofísica. Não é de admirar, então, por que os três pesquisadores que foram centrais na primeira detecção receberam o Prêmio Nobel de Física de 2017. O prêmio foi concedido em conjunto aos professores emérito da Caltech, Kip S. Barish, juntamente com o professor emérito do MIT, Rainer Weiss.
Simplificando, ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo que são formadas por grandes eventos astronômicos - como a fusão de um par binário de buraco negro. Eles foram previstos pela primeira vez há mais de um século pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein, que indicava que perturbações maciças alterariam a estrutura do espaço-tempo. No entanto, somente nos últimos anos a evidência dessas ondas foi observada pela primeira vez.
O primeiro sinal foi detectado pelos observatórios gêmeos do LIGO - em Hanford, Washington e Livingston, Louisiana, respectivamente - e traçado a uma fusão de toupeira negra a 1,3 bilhão de anos-luz de distância. Até o momento, foram quatro detecções, todas devido a fusões de pares de buracos negros. Estes ocorreram em 26 de dezembro de 2015, 4 de janeiro de 2017 e 14 de agosto de 2017, sendo o último detectado pelo LIGO e pelo detector de ondas gravitacionais Virgo da Europa.
Pelo papel que desempenharam nessa conquista, metade do prêmio foi concedida em conjunto a Barry C. Barish, de Caltech, professor de física emérito de Ronald e Maxine Linde, e Kip S. Thorne, professor de física teórica de Richard P. Feynman. Emérito. A outra metade foi concedida a Rainer Weiss, professor de física emérito, no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).
Como Thomas F. Rosenbaum, presidente da Caltech, disse o presidente da Sonja e William Davidow e professor de física, disse em uma recente declaração à imprensa da Caltech:
“Estou muito satisfeito e honrado por felicitar Kip e Barry, bem como Rai Weiss, do MIT, no prêmio desta manhã do Prêmio Nobel de Física de 2017. A primeira observação direta de ondas gravitacionais pelo LIGO é uma demonstração extraordinária de visão e persistência científica. Através de quatro décadas de desenvolvimento de instrumentação requintadamente sensível - aumentando a capacidade de nossa imaginação - agora podemos vislumbrar processos cósmicos que antes eram indetectáveis. É realmente o começo de uma nova era na astrofísica. ”
Essa conquista foi ainda mais impressionante, considerando que Albert Einstein, que previu sua existência, acreditava que as ondas gravitacionais seriam muito fracas para serem estudadas. No entanto, na década de 1960, os avanços na tecnologia a laser e novas descobertas sobre possíveis fontes astrofísicas levaram os cientistas a concluir que essas ondas podem realmente ser detectáveis.
Os primeiros detectores de ondas gravitacionais foram construídos por Joseph Weber, astrofísico da Universidade de Maryland. Seus detectores, construídos na década de 1960, consistiam em grandes cilindros de alumínio que seriam levados a vibrar ao passar ondas gravitacionais. Outras tentativas se seguiram, mas todas foram infrutíferas; solicitando uma mudança para um novo tipo de detector envolvendo interferometria.
Um desses instrumentos foi desenvolvido por Weiss no MIT, que contava com a técnica conhecida como interferometria a laser. Nesse tipo de instrumento, as ondas gravitacionais são medidas usando espelhos amplamente espaçados e separados que refletem lasers a longas distâncias. Quando as ondas gravitacionais fazem com que o espaço se estique e comprima em quantidades infinitesimais, faz com que a luz refletida no interior do detector mude minuciosamente.
Ao mesmo tempo, Thorne - junto com seus alunos e pós-doutorados na Caltech - começou a trabalhar para melhorar a teoria das ondas gravitacionais. Isso incluiu novas estimativas sobre a força e a frequência das ondas produzidas por objetos como buracos negros, estrelas de nêutrons e supernovas. Isso culminou em um artigo de 1972, que Throne co-publicou com seu aluno, Bill Press, que resumiu sua visão de como as ondas gravitacionais podiam ser estudadas.
Nesse mesmo ano, Weiss também publicou uma análise detalhada dos interferômetros e seu potencial para pesquisas astrofísicas. Neste artigo, ele afirmou que operações em larga escala - medindo vários quilômetros ou mais em tamanho - podem ter uma chance de detectar ondas gravitacionais. Ele também identificou os principais desafios à detecção (como vibrações da Terra) e propôs possíveis soluções para combatê-las.
Em 1975, Weiss convidou Thorne para falar em uma reunião do comitê da NASA em Washington, DC, e os dois passaram a noite inteira conversando sobre experimentos gravitacionais. Como resultado da conversa, Thorne voltou a Calteh e propôs a criação de um grupo de gravidade experimental, que trabalharia em interferômetros em paralelo com pesquisadores do MIT, da Universidade de Glasgow e da Universidade de Garching (onde experiências semelhantes estavam sendo conduzidas).
O desenvolvimento do primeiro interferômetro começou logo em Caltech, o que levou à criação de um protótipo de 40 metros (130 pés) para testar as teorias de Weiss sobre ondas gravitacionais. Em 1984, todo o trabalho realizado por essas respectivas instituições se reuniu. Caltech e MIT, com o apoio da National Science Foundation (NSF), formaram a colaboração LIGO e começaram a trabalhar em seus dois interferômetros em Hanford e Livingston.
A construção do LIGO foi um grande desafio, tanto logística como tecnicamente. No entanto, as coisas foram ajudadas imensamente quando Barry Barish (então físico de partículas da Caltech) se tornou o Pesquisador Principal (PI) do LIGO em 1994. Depois de uma década de tentativas paralisadas, ele também foi diretor do LIGO e colocou sua construção nos trilhos. . Ele também expandiu a equipe de pesquisa e desenvolveu um plano de trabalho detalhado para a NSF.
Como Barish indicou, o trabalho que ele fez com o LIGO foi como um sonho tornado realidade:
“Eu sempre quis ser um físico experimental e fiquei atraído pela idéia de usar os contínuos avanços da tecnologia para realizar experimentos científicos fundamentais que não poderiam ser feitos de outra maneira. O LIGO é um excelente exemplo do que não podia ser feito antes. Embora fosse um projeto de grande escala, os desafios eram muito diferentes da maneira como construímos uma ponte ou realizamos outros grandes projetos de engenharia. Para o LIGO, o desafio era e é como desenvolver e projetar instrumentação avançada em larga escala, à medida que o projeto evolui. ”
Em 1999, a construção havia terminado nos observatórios do LIGO e, em 2002, o LIGO começou a obter dados. Em 2008, começaram os trabalhos de melhoria de seus detectores originais, conhecido como Projeto Advanced LIGO. O processo de conversão do protótipo de 40 m nos atuais interferômetros de 4 km (2,5 milhas) do LIGO foi um empreendimento massivo e, portanto, precisava ser dividido em etapas.
O primeiro passo ocorreu entre 2002 e 2010, quando a equipe construiu e testou os interferômetros iniciais. Embora isso não tenha resultado em nenhuma detecção, demonstrou os conceitos básicos do observatório e resolveu muitos dos obstáculos técnicos. A próxima fase - chamada Advanced LIGO, realizada entre 2010 e 2015 - permitiu que os detectores alcançassem novos níveis de sensibilidade.
Essas atualizações, que também aconteceram sob a liderança de Barish, permitiram o desenvolvimento de várias tecnologias importantes que tornaram possível a primeira detecção. Como Barish explicou:
“Na fase inicial do LIGO, para isolar os detectores do movimento da Terra, usamos um sistema de suspensão que consistia em espelhos de massa de teste pendurados por fio de piano e usamos um conjunto de amortecedores passivos de estágio múltiplo, semelhantes aos no seu carro. Sabíamos que isso provavelmente não seria bom o suficiente para detectar ondas gravitacionais; portanto, no Laboratório LIGO, desenvolvemos um programa ambicioso para o Advanced LIGO que incorporou um novo sistema de suspensão para estabilizar os espelhos e um sistema de isolamento sísmico ativo para detectar e corrigir movimentos de solo. ”
Dada a importância de Thorne, Weiss e Barish para o estudo das ondas gravitacionais, todos os três foram reconhecidos corretamente como os que receberam este ano o Prêmio Nobel de Física. Thorne e Barish foram notificados de que haviam vencido nas primeiras horas da manhã do dia 3 de outubro de 2017. Em resposta à notícia, os dois cientistas certamente reconheceram os esforços contínuos do LIGO, as equipes científicas que contribuíram para ele e o esforços da Caltech e do MIT na criação e manutenção dos observatórios.
“O prêmio pertence às centenas de cientistas e engenheiros do LIGO que construíram e aperfeiçoaram nossos complexos interferômetros de ondas gravitacionais e às centenas de cientistas do LIGO e Virgo que encontraram os sinais das ondas gravitacionais nos dados ruidosos do LIGO e extraíram as informações das ondas, - disse Thorne. "É lamentável que, devido aos estatutos da Fundação Nobel, o prêmio tenha que chegar a não mais que três pessoas, quando nossa maravilhosa descoberta é obra de mais de mil pessoas".
"Estou humilhado e honrado por receber este prêmio", disse Barish. “A detecção de ondas gravitacionais é realmente um triunfo da física experimental moderna em larga escala. Ao longo de várias décadas, nossas equipes da Caltech e do MIT desenvolveram o LIGO no dispositivo incrivelmente sensível que fez a descoberta. Quando o sinal chegou ao LIGO a partir de uma colisão de dois buracos negros estelares ocorridos há 1,3 bilhão de anos atrás, a LIGO Scientific Collaboration, com mais de 1.000 cientistas, conseguiu identificar o evento candidato em questão de minutos e realizar a análise detalhada que demonstrou de forma convincente que as ondas gravitacionais existir."
Olhando para o futuro, também é bastante claro que o Advanved LIGO, Advanced Virgo e outros observatórios de ondas gravitacionais ao redor do mundo estão apenas começando. Além de ter detectado quatro eventos separados, estudos recentes indicaram que a detecção de ondas gravitacionais também poderia abrir novas fronteiras para pesquisas astronômicas e cosmológicas.
Por exemplo, um estudo recente de uma equipe de pesquisadores do Monash Center for Astrophysics propôs um conceito teórico conhecido como "memória órfã". Segundo suas pesquisas, as ondas gravitacionais não apenas causam ondas no espaço-tempo, mas deixam ondulações permanentes em sua estrutura. Ao estudar os “órfãos” de eventos passados, as ondas gravitacionais podem ser estudadas tanto quando atingem a Terra quanto muito tempo depois de passarem.
Além disso, um estudo foi lançado em agosto por uma equipe de astrônomos do Centro de Cosmologia da Universidade da Califórnia em Irvine, que indicou que as fusões de buracos negros são muito mais comuns do que pensávamos. Depois de realizar uma pesquisa do cosmos destinada a calcular e categorizar os buracos negros, a equipe da UCI determinou que poderia haver até 100 milhões de buracos negros na galáxia.
Outro estudo recente indicou que a rede de detectores de ondas gravitacionais Advanced LIGO, GEO 600 e Virgo também poderia ser usada para detectar as ondas gravitacionais criadas pelas supernovas. Ao detectar as ondas criadas por estrelas que explodem perto do fim de sua vida útil, os astrônomos puderam ver pela primeira vez dentro dos corações das estrelas em colapso e sondar a mecânica da formação de buracos negros.
O Prêmio Nobel de Física é uma das maiores honras que podem ser concedidas a um cientista. Mas ainda maior é o conhecimento de que grandes coisas resultaram do próprio trabalho. Décadas após Thorne, Weiss e Barish começaram a propor estudos de ondas gravitacionais e a trabalhar para a criação de detectores, cientistas de todo o mundo estão fazendo profundas descobertas que estão revolucionando a maneira como pensamos o Universo.
E como esses cientistas certamente atestam, o que vimos até agora é apenas a ponta do iceberg. Pode-se imaginar que, em algum lugar, Einstein também esteja radiante de orgulho. Como em outras pesquisas relacionadas à sua teoria da Relatividade Geral, o estudo das ondas gravitacionais está demonstrando que, mesmo depois de um século, suas previsões ainda estavam em andamento!
E não deixe de conferir este vídeo da Conferência de Imprensa da Caltech, onde Barish e Thorn foram homenageados por suas realizações:
