LIGO abre uma Nova Janela no Universo com a Observação das Ondas Gravitacionais geradas pela Colisão De Buracos Negros – 100 anos após a Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein [artigo original]

Quando dois buracos negros giram em órbita um do outro, irradiam ondas gravitacionais, liberando energia orbital e espiralando em direção um do outro. Esta ilustração mostra as ondulações em uma superfície bidimensional do espaço-tempo, para que consigamos melhor visualizar. Crédito: Swinburne Astronomy Productions

Pela primeira vez na história da ciência, cientistas observaram as ondulações no tecido do espaço-tempo chamadas de ‘ondas gravitacionais’, que chegaram na Terra oriundas de um evento cataclísmico no Universo distante. Isto confirma uma importante previsão da teoria geral da relatividade de Albert Einstein, publicada em 1915, e abre uma nova janela sem precedentes para o entendimento do Cosmos.

As ondas gravitacionais transportam informação sobre as suas dramáticas origens e sobre a natureza da gravidade a qual não pode ser obtida de outra forma. Os físicos concluíram que as ondas gravitacionais foram produzidas durante a fração final de segundo da fusão de dois buracos negros, produzindo um único buraco negro mais massivo. Um evento de colisão de dois buracos negros era algo já teorizado, mas nunca observado diretamente.

Vista aérea do LIGO em Livingston, no estado americano do Louisiana. Crédito: Caltech/Laboratório LIGO

As ondas gravitacionais foram detectadas no dia 14 de setembro de 2015, às 09:51 UTC, pelos observatórios gêmeos LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), localizados em Livingston, estado de Louisiana e em Hanford, estado de Washington, nos EUA. Os observatórios LIGO são financiados pelo NSF (National Science Foundation) e foram concebidos, construídos e operados pelo Caltech e pelo MIT. A descoberta, publicada na revista Physical Review Letters, foi feita pela Colaboração Científica LIGO (que inclui a Colaboração GEO e o Consórcio Australiano para Astronomia Gravitacional Interferométrica) e pela Colaboração Virgo usando dados dos dois detectores gêmeos LIGO.

Baseando-se nos sinais observados, os cientistas do LIGO estimam que os buracos negros deste evento tinham aproximadamente 29±4 e 36±4 vezes a massa do Sol e que o evento teve lugar há 1,3 bilhões de anos. Cerca de 3±0,5 massas solares foram convertidas em ondas gravitacionais em uma fração de segundo. Tal representou com uma potência máxima 50 vezes maior do que todo o Universo Observável produz no mesmo espaço de tempo.

Estas são as ondas gravitacionais detectadas pelo LIGO, primeiro em Livingston e, apenas uma fração de segundo depois, pelo detector em Hanford. Crédito: LIGO

Ao comparar o tempo de chegada dos sinais (o detector em Livingston registou o evento 7 milissegundos antes do detector em Hanford), os cientistas podem dizer que a fonte estava localizada na direção do hemisfério sul.

De acordo com a Relatividade Geral, uma dupla de buracos negros em órbita em torno de seu centro de massa perde energia através da emissão de ondas gravitacionais, fazendo com que ambos gradualmente fiquem mais próximos ao entre si ao longo de bilhões de anos. Contudo, a distância orbital diminui extremamente mais depressa nos minutos finais. Durante a fração final de um segundo, os dois buracos negros colidiram um com o outro a quase metade da velocidade da luz e formaram um único buraco negro mais massivo, convertendo uma porção da massa combinada dos dois buracos negros em energia, segundo a fórmula E = mc² de Einstein. Esta energia é emitida como uma forte explosão final de ondas gravitacionais. Foram estas ondas gravitacionais que o LIGO observou.

A existência de ondas gravitacionais foi demonstrada pela primeira vez nas décadas de 1970 e 1980 por Joseph Taylor Jr. e sua equipe. J. Taylor e Russell Hulse descobriram, em 1974, um sistema binário composto por um pulsar em órbita de uma estrela de nêutrons. Taylor e Joel M. Weisberg descobriram, em 1982, que a órbita do pulsar estava diminuindo ligeiramente ao longo do tempo devido à libertação de energia sob a forma de ondas gravitacionais. Pela descoberta do pulsar e pela demonstração que tornaria possível esta medição de onda gravitacional em particular, Russel Hulse e J. Taylor Jr. receberam o Prêmio Nobel da Física em 1993.

A nova descoberta do LIGO é a primeira observação direta das próprias ondas gravitacionais, feita através da medição dos pequenos distúrbios que esse tipo de ondas faz no espaço e no tempo à medida que atravessam a Terra.

David H. Reitze, do Caltech e diretor executivo do Laboratório LIGO, comentou:

Nossa observação das ondas gravitacionais cumpre uma ambiciosa meta estabelecida há mais de 5 décadas, ou seja, a de detectar diretamente este fenômeno elusivo e melhor compreender o Universo e, apropriadamente, cumpre o legado de Einstein logo após o 100.º aniversário da sua teoria geral da relatividade.

A descoberta se fez possível graças às capacidades incrementadas do Advanced LIGO, uma grande atualização na infraestrutura que aumentou a sensibilidade dos instrumentos em comparação com a primeira geração dos detectores LIGO, permitindo um grande aumento no volume do Universo estudado e a descoberta das ondas gravitacionais durante a sua primeira fase de observações.

Gabriela González, porta-voz do LSC (LIGO Scientific Collaboration) e professora de física e astronomia na Universidade Estatal do Louisiana, afirmou:

Esta detecção é o começo de uma nova era: o campo da astronomia das ondas gravitacionais é agora uma realidade.

O LIGO foi originalmente proposto como um meio de detectar as ondas gravitacionais na década de 1980 pelos cientistas:

• Rainer Weiss, professor de física, emérito, do MIT;
• Kip Thorne, físico teórico;
• Richard P. Feynman, professor emérito do Instituto Caltech de Física Teórica; e
• Ronald Dreve, professor de física, emérito, também do Caltech.

Prof. Rainer Weiss disse:

Esta observação está muito bem descrita na teoria da relatividade geral de Einstein, formulada há 100 anos e compreende o primeiro teste da teoria da gravitação forte. Teria sido maravilhoso ver a reação de Einstein, caso tivéssemos sido capazes de lhe contar sobre esta descoberta.

Kip Thorne declarou:

Com esta descoberta, nós humanos, estamos a prestes a embarcar em uma maravilhosa nova missão: a busca para explorar o lado deformado do Universo, ou seja, os objetos e fenômenos produzidos pela deformação do espaço-tempo. A colisão de buracos negros e ondas gravitacionais são os nossos primeiros belos exemplos.

A pesquisa Virgo é realizada pela Colaboração Virgo, que abrange mais de 250 físicos e engenheiros pertencentes a 19 diferentes grupos europeus de investigação:

• 6 do Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) na França;
• 8 do Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) na Itália;
• 2 na Holanda com Nikhef;
• Wigner RCP na Hungria;
• O Grupo POLGRAW na Polônia; e
• European Gravitational Observatory (EGO), o laboratório que o hospeda o detector próximo a Pisa na Itália.

Fulvio Ricci, porta-voz da Virgo, afirmou que:

Este é um marco significativo para a física, mas, mais importante, é meramente o início de muitas novas e excitantes descobertas astrofísicas que vão chegar com o LIGO e o Virgo.

David Shoemaker of MIT, cientista líder do ‘Advanced LIGO’, afirmou:

Os detectores do LIGO Avançado são a ponta avançada de ciência e tecnologia, tornados possíveis pela atuação de um verdadeiramente excepcional time de engenheiros, cientistas e técnicos. Estamos muito orgulhosos que concluímos este projeto da NSF em tempo e dentro do orçamento.

Observatório LIGO em Hanford

Em cada observatório LIGO, um interferômetro em forma de um L com 4 km de comprimento usa um laser que se divide em dois feixes e que viajam para trás e para a frente nos braços (um tubo com 120 cm de diâmetro mantido sob um vácuo quase perfeito). Os feixes são usados para monitorar a distância entre espelhos posicionados precisamente nas extremidades dos braços. De acordo com a teoria de Einstein, a distância entre os espelhos é alterada por uma quantidade ínfima quando uma onda gravitacional passa pelo detector. O detector é sensível o suficiente para medir uma mudança, nos comprimentos dos braços, mais pequena que um décimo de milésima do diâmetro de um próton (10^-19metros). O ‘Advanced LIGO’ é o detector mais sofisticado já criado de ondas gravitacionais.

Além disso, a presença de observatórios independentes e largamente separados entre si são absolutamente necessários para determinar a direção do evento que causou as ondas gravitacionais e também confirmar se os sinais vieram efetivamente do espaço ou foram causados por ruídos de algum fenômeno local terrestre.

A fim de determinar a direção do evento que provocou as ondas gravitacionais são necessários observatórios independentes e bastante separados, e também para verificar que os sinais são provenientes do espaço e não são algum outro fenômeno local.

Com este objetivo, o Laboratório LIGO está trabalhando em estreita colaboração com cientistas na Índia (o Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics, o Raja Ramanna Centre for Advanced Technology e o Institute for Plasma) para construírem um terceiro detector LIGO no subcontinente indiano. Aguardando a aprovação do governo indiano, o novo detector poderá estar operacional na próxima década. O observatório adicional vai melhorar em muito a capacidade da rede global de detectores em localizar fontes de ondas gravitacionais.

David McClelland, professor de física e diretor do Centro de Física Gravitacional da Universidade Nacional Australiana, concluiu:

Esperamos que esta primeira observação acelere a construção de uma rede global de detectores e permita a localização precisa das fontes nessa era da astronomia colaborativa.

Vídeo de Conferência de Imprensa

LIGO – a régua de medição mais precisa já construída

Jornada de uma Onda Gravitacional através do Espaço

O Som de dois Buracos Negros Colidindo

Efeito exagerado das ondas gravitacionais na Terra

Fonte

LIGO-Caltech: Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein’s Prediction

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LIGO-detecta-ondas-gravitacionais-artigo-original

PhysRevLett.116.061102-Observation-of-Gravitational-Waves-from-a-Binary-Black-Hole-Merger